CC BY
4
The article discusses the use of erbium linear optical amplifiers with remote pumping for the construction of extended field fiber-optic communication lines. An algorithm for calculating a field fiber-optic communication line using erbium optical amplifiers with remote pumping is proposed. The length of the regeneration section of the field fiber-optic communication line is estimated using the proposed algorithm.
Key words: regeneration site, EDFA, field fiber-optic communication cable, communication line, fiber-optic amplifier, remote pumping.
Kirill Sergeevich Alekseev, senior company operator (scientific), vara_alex@icloud.com, Russia, Saint Petersburg, Military Academy of Communications named after S.M. Budyonny,
Sokolov Alexander Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, sanyol80@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after S.M. Budyonny,
Kirill Pavlovich Shcherbak, researcher at the research center, kirillshherbak@gmail.com, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after S.M. Budyonny
УДК 535.92
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-3-409-416
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ВОЛОКОН ПОЛЕВЫХ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ СВЯЗИ
К.С. Алексеев, А.С. Соколов, К.П. Щербак
В статье рассмотрены предложения по реализации системы контроля параметров оптических волокон полевых оптических кабелей связи. Значения параметров оптических волокон являются основными исходными данными на этапе планирования полевых волоконно-оптических линий связи. При этом, с учетом многократного развертывания (свертывания) полевых оптических кабелей необходимо учитывать деградацию их характеристик, прежде всего увеличение затухания оптических волокон и соединителей, и, как следствие, деградацию показателя качества цифрового оптического сигнала.
Ключевые слова: система контроля, оптические волокна, параметры оптических волокон, полевые оптические кабели, кабели связи.
Одной из основных задач, решаемых на этапе планирования и эксплуатации полевых волоконно-оптических линий связи (ПВОЛС) является измерение параметров полевых оптических кабелей (ПОК). Как показал анализ, для ПВОЛС, ввиду сравнительно небольших скоростей передачи информации, влияние поляризационно-модовой дисперсии на качество цифрового оптического сигнала может быть исключено, а возможность применения различного типа компенсаторов устраняет влияние хроматической дисперсии. Следовательно, основными параметрами, ограничивающими качество цифрового оптического сигнала в ПВОЛС являются затухание волокон и соединителей ПОК [1].
Значения вышеперечисленных параметров являются основными исходными данными на этапе планирования ПВОЛС. При этом, с учетом многократного развертывания (свертывания) ПОК необходимо учитывать деградацию характеристик, прежде всего увеличение затухания, оптических волокон и соединителей, и, как следствие, деградацию показателя качества цифрового оптического сигнала, определяемого коэффициентом битовой ошибки. Это приводит к необходимости применения системы контроля параметров ПОК, которая должна предусматривать измерение и оценку затухания оптических волокон и соединений строительных длин ПОК [2].
В настоящее время наиболее эффективным методом измерения затухания оптических волокон и соединителей, применяемых в различных системах контроля параметров ВОЛС является метод обратного рассеяния, реализуемый в измерительных приборах, называемых рефлектометрами [3].
Существующие модели оптических рефлектометров могут использоваться как в полевых, так и в стационарных условиях, и относятся к многофункциональному измерительному оборудованию. Они позволяют:
проводить измерение параметров ВОЛС в автоматическом режиме (рефлектометр проводит измерения, анализирует полученные результаты и представляет информацию в виде рефлектограммы и подробной таблицы);
определять длину оптической линии и расстояния до точек неоднородностей оптического волокна (соединения, изгибы и трещины оптического волокна);
производить расчёт затухания в линии, определять величины возвратных потерь и величины отражённого сигнала;
производить визуальное определение повреждений ВОЛС;
выводить на экран, хранить во внутренней памяти и передавать на внешний носитель результаты измерения для дальнейшего анализа;
формировать в электронном виде акт приёмосдаточных испытаний оптического кабеля.
Существуют различные схемы включения и применения оптических рефлектометров в системах контроля параметров ВОЛС, в том числе, с применением оптических коммутаторов и мультиплексоров, позволяющих сократить время измерения за счет автоматического переключения оптических волокон, а также проводить измерения активных волокон.
Необходимо отметить, что использование метода обратного рассеяния для определения параметров ПОК требует учета его характеристик: величины мертвой зоны (по затуханию и отражению) и динамического диапазона, определяющего максимальное затухание измеряемой ПВОЛС.
Для ПВОЛС основной особенностью является то, что значение их коэффициента затухания существенно выше, чем у стационарных ВОЛС, построенных с применением сварных соединений. Так среднее значение коэффициента затухания стационарных ВОЛС на длине волны 1,55 мкм составляет 0,275 дБ/км, а полевых ВОЛС может варьироваться в широких пределах: 0,4 - 2,8 дБ/км (при среднем значении коэффициента затухания оптического волокна 0,25 дБ/км).
Известно, что динамический диапазон оптического рефлектометра и, следовательно, максимальное затухание измеряемой ВОЛС зависит от двух регулируемых параметров: времени измерения и длительности оптического импульса [4]. На рис. 1 показан график зависимости
динамического диапазона рефлектометра Вйв от нормированного времени измерения ^изм/ ,
/ ^мин
где ^мин - минимальное время измерения, с (принятое равным 10 с.) и от нормированной длительности импульса тизм/ , где тмин - минимальное значение длительности импульса, нс
/ тмин
(равное, как правило, 10 нс.). Значение динамического диапазона рефлектометра 30 дБ, нормируется при времени измерения 180 с и длительности импульса 10 мкс.
Ож, дБ ЗОН
20-
10-
ИНН!!!!!!!!!!!!
Рис.1. График зависимости величины динамического диапазона от длительности оптического импульса и времени измерения
Одним из основных ограничивающих факторов при проведении измерений на полевых линиях связи является время, затрачиваемое на формирование базы значений параметров затухания ПОК. Ограничение максимальной протяженности измеряемой линии приводит, в
410
ряде случаев, к невозможности измерения параметров волокон и соединителен всех строительных длин ПОК за один этап. Одним из решений данной задачи является разбиение множества строительных длин ПОК на отдельные группы, и последовательное (многоэтапное) измерение параметров волокон и соединителей в каждой группе. При этом необходимо учесть, что разделение строительных длин ПОК на группы, в случае применения одного обслуживающего прибора (оптического рефлектометра), требует реализации функции переключения оптического рефлектометра между группами строительных длин ПОК. Зависимости максимальной длины измеряемой линии от длительности оптического импульса и времени измерения показаны на рис. 2.
Рис.2. Зависимость максимальной длины измеряемой линии: а - от времени измерения; б - от длительности зондирующего оптического импульса
С учетом того, что один цикл измерения позволяет измерить и оценить одну группу строительных длин ПОК, суммарное время измерения всех строительных длин кабеля Тс
определяется выражением (1)
сумм
Тс
Т ■ N
_ ± групп 1 * сумм
сумм
(1)
N
стр.гр
где Трупп. - время измерения одной группы строительных длин ПОК, с; ^.умм - общее количество строительных длин ПОК, шт.; Ng.jp рр. - количество строительных длин ПОК в одной группе, шт.
Время, затрачиваемое на измерение одной группы строительных длин ПОК Тгр определяется выражением (2)
Т = Т + Т + Т + Т
± групп ± тест ^ ± зонд ^ ± рез ^ ± пер.гр >
(2)
где Ттест - время на тестирование входного порта рефлектометра, с; Тзонд- время зондирова-
зонд
ния оптическими импульсами, с; Трез - время на оценку, вывод и сохранение результатов, с; Тпер - время, отводимое на переключение оптического рефлектометра между группами строительных длин ПОК, с.
Время необходимое для зондирования одной группы строительных длин ПОК зависит от протяженности группы строительных длин ПОК, среднего коэффициента затухания ПОК, динамического диапазона рефлектометра. С учетом выражения (2) количество строительных длин ПОК Nстр рр в одной группе может быть определено из выражения (3):
А + 2,5lg
т
N
-"стр.гр
зонд
Т0
/У
(3)
а-Д
стр
где Ад -динамический диапазон рефлектометра, дБ; 7д - время измерения, соответствующее значению Дз, с (180 с); а - коэффициент затухания оптического волокна, дБ/км; Дстр- строительная длина ПОК, м. Следовательно, время необходимое для измерения одной группы, состоящей из Ng.jp рр строительных длин ПОК определяется (4):
Nстр.гр -а-Дстр А0
Тзонд - т0 •10
2,5 . (4)
С учетом времени, отводимого на тестирование, оценку и сохранение результатов, а также переключение оптического рефлектометра между группами строительных длин ПОК выражение для расчета суммарного времени измерения всех строительных длин кабеля примет следующий вид:
(
тс
сумм
N
Л
сумм
^ ^Стр.гр -а-Дстр А0 Л
2,5
N
стр.гр
Т0 • 10
+ т + т + т
^ ± тест ^ ± рез ^ ± пер.гр-
(5)
При времени переключения Тпер.гр = 10 с., тестирования Ттест = 2 с., оценки и сохранения результатов Трез = 3 с., общем количестве строительных длин ПОК ^умм = 90 шт., строительной длине ПОК Дстр = 1 км, среднем коэффициенте затухания ПОК а = 1 дБ/км и динамическом диапазоне рефлектометра А0 = 30 дБ, зависимость суммарного времени измерения всех строительных длин кабеля от количества строительных длин в группе представлена на рис. 3. Из графика видно, что минимальное суммарное время измерения (64 с.) достигается при 25 строительных длинах ПОК в группе. Это объясняется тем, что уменьшение количества строительных длин в группе приводит к увеличению количества групп и, соответственно, к увеличению суммарного времени на переключение между группами, в свою очередь, увеличение количества строительных длин в группе приводит к необходимости увеличения времени измерения каждой группы.
1.1-10
Рис.3. Зависимость суммарного времени измерения строительных длин кабеля от количества строительных длин в группе
Уменьшение суммарного времени измерения строительных длин кабеля возможно за счет уменьшения времени переключения между группами кабеля и увеличения динамического диапазона рефлектометра. График зависимости суммарного времени измерения строительных длин кабеля от количества строительных длин в группе при различных значениях динамического диапазона рефлектометра представлен на рис. 4.
Из графика видно, что увеличение динамического диапазона рефлектометра с 30 дБ до 40 дБ приводит к уменьшению суммарного времени измерения (48 с.). Необходимо отметить, что увеличение динамического диапазона рефлектометра сопряжено с применением дорогостоящей элементной базы и усложнением схемной реализации его отдельных узлов, что приводит к удорожанию рефлектометра и системы контроля параметров ПОК в целом.
Рис.4. Зависимость суммарного времени измерения строительных длин кабеля от количества строительных длин в группе при различных значениях динамического
диапазона рефлектометра
Переключение оптического рефлектометра между группами строительных длин кабеля может осуществляться двумя основными способами: «ручным» (с применением оптических кроссов) и электронно-оптическим (с применением оптических переключателей). Уменьшение времени переключения рефлектометра между группами строительных длин ПОК с 10 с до 1 с сопряжено с применением оптических переключателей (коммутаторов), что также приводит к удорожанию системы контроля параметров ПОК. График зависимости суммарного времени измерения строительных длин кабеля от количества строительных длин в группе при различных значениях времени переключения между группами строительных длин представлен на рис. 5.
Рис.5. Зависимость суммарного времени измерения строительных длин кабеля от количества строительных длин в группе при различных значениях времени переключения между группами строительных длин
Из графика видно, что уменьшение времени переключения рефлектометра между группами строительных длин ПОК с 10 с до 1 с также приводит к уменьшению суммарного времени измерения (30 с.). Достигаемое суммарное время измерения существенно ниже, чем в случае применения оптических рефлектометров с высоким динамическим диапазоном. Это свидетельствует о целесообразности применения оптических коммутаторов в системе контроля параметров ПОК [3].
Существующие модели коммутаторов, как правило, выполняются по технологии мик-ро-электромеханических переключателей, обеспечивают коммутацию до 40 оптических сигналов при времени переключения 100-500 мс, но, в то же время, обладают существенным недостатком: вносят дополнительное затухание, что приводит к уменьшению уровня мощности оптического сигнала на входе в линию и, следовательно, к уменьшению протяженности измеряемой линии.
Тем не менее, совместное применение оптических рефлектометров и коммутаторов в составе системы контроля параметров волокон полевых оптических кабелей связи позволит сформировать базу исходных данных для решения задачи выбора и распределения волокон ПОК на этапе планирования.
I
С учетом вышесказанного в состав системы контроля параметров ПОК должны входить следующие основные элементы:
- автоматизированное рабочее место с установленным программным обеспечением,
- оптический рефлектометр,
- оптический коммутатор.
Автоматизированное рабочее место выполняет следующие функции:
- управление оптическим коммутатором (подключение и переключение волокон опти-
ческого кабеля к оптическому рефлектометру),
- управление оптическим рефлектометром (установка параметров измерения, сбор и анализ результатов измерения),
- формирование базы исходных данных (параметров оптических волокон и соединений) для решения задачи планирования полевой волоконно-оптической линии связи.
Оценка состояния оптических волокон и соединителей производится путем сравнения результата измерения (измеренной рефлектограммы) с предыдущей рефлектограммой и с эталонной рефлектограммой оптического волокна: сравнение параметров оптических волокон и соединителей с допускаемыми значениями (пороговыми или эталонными), определение фактов обрыва, появления или увеличение затухания в локальной неоднородности; увеличение общего затухания линии; увеличение коэффициентов затухания участков.
Для контроля параметров активных волокон ПОК данная система контроля должна
быть дополнена устройствами спектрального разделения (оптическими мультиплексорами и демультиплексорами), что позволит передавать совместно, в одном оптическом волокне, информационный и измерительный оптический сигнал.
Следует учитывать, что при измерении по активному волокну пассивные элементы
схемы измерения, такие как оптические мультиплексоры и демультиплексоры, будут вносить дополнительные потери. Величина таких потерь зависит от схемы измерения и параметров используемых элементов и обычно принимается равной 2 - 3 дБ на один элемент. Зависимости суммарного времени измерения строительных длин кабеля от количества строительных длин в группе с учетом затухания в оптических коммутаторах и мультиплексорах представлена на рис. 6.
Рис.6. Зависимости суммарного времени измерения строительных длин кабеля от количества строительных длин в группе для различных схем контроля: 1 - без комутатора, 2 - с коммутатором, 3 - с коммутатором и мультиплексором
Из графиков видно, что минимальное суммарное время измерения достигается при применении оптических коммутаторов, что наиболее заметно при уменьшении количества строительных длин ПОК в группе. Однако, затухание, вносимое оптическими коммутаторами и мультиплексорами существенно ограничивает количество строительных длин в группе, так как приводит к необходимости увеличения времени измерения каждой группы.
Таким образом, с учетом совместного применения оптических коммутаторов и муль-
типлексоров, разработанный подход к реализации системы контроля параметров ПОК также может быть применен на этапе эксплуатации полевых волоконно-оптических линий.
1. Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи. 4-е изд., доп. М.: Техносфера,
(, с
2.101
1ЛХМ?
Список литературы
2007. 512 с.
2. Хромой Б.П. Метрология и измерения в телекоммуникационных системах. М.: ИРИАС, 2007. 411 с.
3. Гайнуллин Рафаэль Рамилевич, Киселев Валерий Васильевич. Система мониторинга ВОЛС корпоративной сети // Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2010. №4. С. 162 - 168.
4. Ландорф А.В., Соловьев Д.В., Фролков В.Н. Оптический рефлектометр как устройство для измерения затухания в оптическом волокне // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2006. №26. С. 208 - 213.
5. Снайдер А., Лав Д. Теория оптических волноводов. М.: «Радио и связь», 1987. 666 с.
6. Листвин А.В., Листвин В.Н. Рефлектометрия оптических волокон. М.: ЛЕСАРарт, 2005.150 с.
Алексеев Кирилл Сергеевич, старший оператор роты (научной), vara_alex@icloud.com, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени С.М. Буденного,
Соколов Александр Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, sanyol80@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени С.М. Буденного,
Щербак Кирилл Павлович, научный сотрудник научно-исследовательского центра, kirillshherbak@gmail.com, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени С.М. Буденного
PROPOSALS FOR THE IMPLEMENTATION OF A FIBER PARAMETER COTROL SYSTEM FOR FIELD OPTICAL COMMUNICATION CABLES
K.S. Alekseev, A.S. Sokolov, K.P. Shcherbak
This article discusses proposals for the implementation of a fiber parameter control system for field optical communication cables. Parameter values are the main input data at the planning stage of the field fiber-optic communication lines. At the same time, taking into account multiple deployment (folding) field optical cables necessary to take into account the degradation of characteristics, primarily the increase in attenuation, optical fibers and connectors, and, as a consequence, the degradation of the digital optical signal quality indicator.
Key words: control system, optical fibers, optical fiber parameters, field optical cables, communication cables.
Alekseev Kirill Sergeevich, senior company operator (scientific), vara_alex@icloud.com, Russia, Saint Petersburg, Military Academy of Communications named after S.M. Budyonny,
Sokolov Alexander Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, sanyol80@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after S.M. Budyonny,
Shcherbak Kirill Pavlovich, researcher at the research center, kirillshherbak@gmail.com, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after S.M. Budyonny
