Moderní způsoby řešení PMD u stávajících optických tras

Autor: M. Kyselák <martinkyselak(at)phd.feec.vutbr.cz>, Pracoviště: Vysoké učení technické v Brně, Téma: Parametry, Vydáno dne: 25. 04. 2006

V článku jsou popisovány možnosti zvyšování přenosové kapacity u stávajících optických tras. Nastíněny jsou způsoby řešení problémů s disperzí optických vláken a nové možnosti vlnového multiplexu WDM (Wavelenght Division Multiplexing). Trend současného vývoje páteřních tras jasně ukazuje na jejich nedostatečnou kapacitu. Moderní multimediální služby si žádají další a na přenosové pásmo náročnější přenosy dat.


Modern methods of PMD solving for current optical lines
Abstract
In this paper possibilities of increasing transmission capacity in current optical lines are described. We are showing ways of solving problems with dispersion of optical fibers and new possibilities of wave multiplex WDM (Wavelength Division Multiplexing). Trend of nowadays backbone lines development shows its insufficient capacity. Modern multimedia services require higher data transmission, which are more demanding on bandwidth.


Potíže spojené se zvyšováním kapacity přenosových cest jsou předmětem tohoto článku. Mezi hlavní a nejčastěji používané způsoby zvyšování přenosové kapacity patří zejména prosté zvyšování rychlosti páteřní sítě, postup na stále vyšší hierarchické stupně použité technologie (ETHERNET, ATM, SDH, SONET, …). Druhou nejčastější možností bývají různé typy multiplexů. V případě páteřních sítí nejčastěji vlnové (frekvenční) multiplexy.

Zdokonalení spojové vrstvy

Nejpřirozenějším způsobem zvyšování kapacity přenosového média, je optimalizace použitého kmitočtu a kódování. Postupný vývoj za posledních 30 let ethernetu ukázal úctyhodný posun o 3 řády. Dokument 802.3ae popisuje nejnovější technologii 10G ethernetu, který se již velmi liší od svého 10M předchůdce. Technologie ethernet je však definována svým specifickým přístupem k médiu, tedy MAC (Media Access Control). Metalická vedení jsou zde na pokraji svých možností a využívají plně šířku svého pásma (500 MHz, resp 660 MHz). Optická vlákna při přenosech na velké vzdálenosti a vysokých přenosových rychlostech vykazují nezanedbatelnou hodnotu polarizační vidové disperze (PMD – Polarization Mode Dispersion) [1]. Souhrn problémů tak naznačuje častá hledání nových řešení.

Z měření optických tras vyplývají potíže s disperzí, měřené hodnoty ukazují na jistou nahodilost a nevypočitatelnost PMD, kterou je tak nutno do jisté míry brát jako náhodný jev závislý na mnoha různých faktorech a jejíž hodnotu pro danou optickou trasu není možné prakticky stanovit výpočtem. Míra neurčitosti PMD telekomunikačních optických vláken je vyjádřena i v jednotkách jejich PMD koeficientu [2]: [ ps /km ] z čehož vyplývá, že celkové zpoždění narůstá pomaleji ve srovnání s chromatickou disperzí. Dnes mají vlákna v kabelu hodnotu PMD zpravidla garantovánu (0,5 ps/km), což je hodnota v porovnání s chromatickou disperzí velmi nízká, a ve skutečnosti je ještě mnohem menší. Z naznačeného vyplývá, že PMD se nezanedbatelně uplatňuje až při vysokých přenosových rychlostech – u systémů 10 Gbit/s (STM-64) a vyšších.

PMD_OTDR

Obr. 1 Ukázka měření PMD metodou skenování vlnové délky (SOP)

Hodnoty koeficientu PMD bývají zpravidla vyšší v případě starších vláken vyrobených před rokem 1997, kdy ještě hodnota PMD vláken nebyla pečlivě sledována – čím starší vlákno, tím vyšší je riziko. Podle studie tehdejšího Bellcoru měla vlákna vyrobená v roce 1996 z 20% větší koeficient PMD než 0,8 ps/√km, nebo 12% vláken vyrobených do roku 1998 mělo koeficient PMD větší než 1 ps/√km [3].

PMD je však bohužel jev do značné míry náhodný, který závisí i na montáži optické trasy a vlivech okolního prostředí a je též velmi obtížně a draze kompenzovatelný. Hodnotu PMD nelze pro optickou trasu přesně spočítat a je ji nutné vždy měřit speciálními přístroji. Nejdůležitější měření je vždy po instalaci optického kabelu na trase.

Metoda vlnového multiplexu

Novější metodou zvýšení kapacity optických vláken je vlnový multiplex WDM (Wavelength Division Multiplex). Technologie je založena na principu sdružování (obr. 2) více optických kanálů (které byly dříve přenášeny každý jedním vláknem) do jednoho vlákna na základě vlnového multiplexu (principiélně jde o FDM). Jasná myšlenka je vlastně interpretací pouhého frekvenčního sdružování kanálů ze základního pásma do vysokofrekvenčních skupinových signálů.

PMD_WDM

Obr. 2 Princip technologie WDM

Na obrázku č. 2 je ukázka blokového uspořádání obousměrného linkového 16-kanálového přenosového systému WDM. Naznačeny jsou nejdůležitější části technologie WDM, kterými jsou: zdroje, zesilovače, detektory a především multiplexory a demultiplexory, které dávají systému podstatu systému WDM (viz též článek Princip WDM – pozn. redakce).

Demultiplexory lze v zásadě realizovat třemi způsoby:

Jednotlivými multiplexními technologiemi se podrobně zabývám v článku Optimalizace vysokorychlostních optických přenosových tras v časopise Elektrorevue. Přednosti WDM jsou nasnadě. Zejména je to možnost transparentního přenosu optických kanálů o rychlostech od 140 Mbit/s až po 10 (dnes až 40) Gbit/s. Lze tedy budovat páteřní sitě ATM či IP po stávajících optických trasách, avšak s řádově vyšší přenosovou kapacitou. WDM tedy umožňuje šetřit počtem vláken, se kterými umí zacházet velmi hospodárně.

Metody snižování hodnoty PMD

V prosinci 2005 jsme provedli několik měření v síti VUT pomocí PMD analyzátoru FTB-5500B. Technika spočívá ve využití autokorelační a křížové funkce k určení hodnoty PMD. Jako zdroj signálu se používá přesný lasser s účinným pásmovým měničem. Použitý přístroj je schopen detekovat nulovou disperzi, avšak chybovost přístroje udávaná výrobcem na nízkých hodnotách disperze prakticky omezuje měření na hodnoty větší ja 10 setin ps. Naše zkušenosti ukazují na nové možnosti pohledu na stávající, z hlediska polarizační disperze nevyhovující, optickou kabeláž. Byla měřena optická vlákna typu Telecom Fiber, délky 1,8 km v rozsahu 1512,70–1574,79 nm. Jako příklad uvádím náměr vlákna č. 4 (obr. 3) a vlákna č. 3 (obr. 4).

PMD_graf3

Obr. 3 Náměr PMD pomocí PMD analyzátoru (vlákno č. 4), závislost výsledného rozložení skupinovéno zpoždění v čase (ps)

V případě náměru vlákna č. 4 byla výsledkem měření tabulka hodnot uvedená v tab. 1. Výsledky ukazují na kvalitní vlákno, jehož celková hodnota PMD nepřekračuje stanovené meze pro použitou spojovou vrstvu. Celková hodnota je nízká především díky malé délce kabelu, na které se případná polarizační disperze nemá možnost zcela projevit. Naměřené hodnoty PMD jsou tak víceméně zanedbatelné a trasu by mohlo být teoreticky možné použít i pro přenos STM-256.

PMD Value:

0,064 ps

Second order PMD:

0,0019 ps/nm ( 0,0005 ps2 )

PMD Coefficient:

0,0522 ps/km^1/2

Second PMD Coefficient:

0,0012 ps/nm.km ( 0,0003 ps2.km )

Date and Time:

2005-12-13 11:31:03

Gaussian Compliance Factor:

1,500

 

 

Wavelength Band:

1512,70-1574,79 nm

Tab. 1 Výsledná tabulka hodnot z měření pomocí PMD analyzátoru

U vlákna č. 3 jsme naměřili mnohem zajímavější hodnoty polarizační vidové disperze. Na obr. 4 a v tab. 2 vidíme průběh a naměřené hodnoty, které jasně ukazují na vlákno s mírně zhoršenými hodnotami polarizační disperze. Hodnota sice není nijak kricická pro systémy STM-64 a pomalejší, avšak již pro systém STM-256 se může jednat o hodnotu kritickou, která se po usazení kabelu na trase může navíc ještě zhoršit. U většiny systémů dnes není udávána přímo hraniční hodnota PMD, ale mezní tzv. DGD - Differential Group Delay (PMD je střední hodnotou DGD). A DGD je pro systémy udáváno např. v doporučeních ITU-T G.691 (12/2003, Opical interfaces for single channel STM-64 and other SDH systems with optical amplifiers), G.959.1 (12/2003, Optical transport network physical layer interfaces), Supplement 39 (10/2003, Optical system design and engeneering considerations), které by měly být v souladu s doporučeními IEC 61280-4-4 a 61282-9.

V ITU doporučeních se udávají následující mezní hodnoty DGD pro systémy:

Při měření se zjišťuje PMD a vztah k mezním DGD lze provést přes např. tabulku uvedenou např. v G.691 - kde k poměru střední hodnoty (změřené PMD) a maximální hodnoty (udané max DGD) je udána pravděpodobnost, že bude překročena ona maximální hodnota, z čehož se dá spočítat potenciální nedostupnost spoje během např. roku. Jiný způsob, většinou v praxi zjednodušeně užívaný je, že se berou pro samotné PMD obvyklé mezní hodnoty:

Zpravidla je však kritická již hodnota překračující 5 ps, jelikož při nasazování systémů pomalejších než 10 Gbit/s PMD se zpravidla netestuje a rychlejší systémy u nás zatím nejsou, je toto vlastně hlavní limit, jež se používá.

PMD_graf4

Obr. 4 Náměr pomocí PMD analyzátoru (vlákno č. 3), závislost výsledného rozložení skupinového zpoždění v čase (ps)

Měřené vlákno bude používáno na pokusné přenosy se systémy STM a výsledné hodnoty budou porovnávány. Z měření očekáváme jasnější výsledky v oblasti závislosti chybovosti na hodnotě PMD a použitém stupni STM.

PMD Value:

6,102 ps

Second order PMD:

0,256 ps/nm

PMD Coefficient:

5,0025 ps/km^1/2

Second PMD Coefficient:

0,2906 ps/nm.km ( 0,0003 ps2.km )

Date and Time:

2005-12-13 11:03:19

Gaussian Compliance Factor:

1,500

 

 

Wavelength Band:

1512,70-1574,79 nm

Tab. 2 Výsledná tabulka hodnot z měření PMD pomocí PMD analyzeru

Novinkou je v současné době měření vlivů polarizační disperze pomocí POTDR – Polarization Optical Time Domain Reflectometer, které je založeno na využití principu měření zpětného rozptylu OTDR. Jde o to vyslat do vláken optické trasy signál (sled impulsů) a následně ze zpětně rozptýleného záření (Rayleighův zpětný rozptyl) vyčíst informace o PMD jednotlivých míst na měřeném vláknu. PMD takto měříme sice víceméně nepřímo, avšak mnohem efektivněji než s PMD analyzerem. Závislost PMD vlákna trasy lze vyjádřit následovně [12]:

PMD_vzorec

β značí velikost dvojlomu ve vláknu (ps/km) - (rozdíl rychlostí šíření dvou polarizačních vidů)
L je délka vlákna
H udává vazební délku charakterizující vazbu mezi polarizačními vidy

Z uvedeného vyplývá, že hodnota PMD roste s velikostí dvojlomu ve vláknu, s velikostí vazební délky a s délkou vlákna. Čím se bude vazební délka zvětšovat, tím se bude zvětšovat odlišnost rychlostí obou polarizačních vidů. Z měření pomocí OTDR získáváme charakteristické délkové informace o vláknu. Pro podélnou analýzu PMD tedy ještě potřebujeme ze zpětně rozptýleného záření z vlákna vyčíst informace o lokálním dvojlomu a vazební délce. Požadované hodnoty lze získat dvěma způsoby, oba se však liší ve způsobu, jakým parametry z odraženého a rozptýleného záření získáváme.

Společnost Mikrokom s.r.o. již provedla několik měření [7], která ukazují na velké výhody tohoto přístroje. Výstupem je tak zcela nový přístup k řešení problémů s úseky nevyhovujících hodnot PMD na optických trasách.

Jedním z řešení se tak ukazuje náhrada úseku optické trasy, která vykazuje příliš vysoké hodnoty PMD. Pomocí polarizačního reflektometru lze totiž velmi snadno zabrazit křivky DOP - Degree Of Polarization (stupeň polarizace) a hDOP (změna polarizace) v průběhu celé optické trasy (obr. 5). Z naměřených hodnot lze stanovit pravděpodobná místa způsobující zvýšenou hodnotu PMD a následně tyto úseky trasy vyměnit. Kontrolní měření lze pochopitelně provést následujícím způsobem. Na trase vyhledáme oblasti způsobující zvýšenou hodnotu PMD a tyto úseky následně samostatně proměříme, tím získáme jistotu, že náš náměr hodnot DOP a hDOP byl správný, či zda došlo ke zkreslení vlivem délky trasy či jiných vlivů.

Problémem provedených měření v optické síti byla „smůla“ na příliš kvalitní vlákna z hlediska PMD. Žádné z měřených vláken nepodléhalo zvýšeným hodnotám PMD, ani nevykazovalo zvýšené hodnoty chromatické disperze, jejíž měření bylo též provedeno. Hodnotu a význam PMD lze vždy jasně určit až na základě porovnání obou křivek. Měření jen jednoho parametru nemusí být vždy moudré, jelikož se ukazuje z měření jiných tras, kde křivka hDOP obsahovala podobně prudce zvýšené úseky. Z následné analýzy DOP ale vyplynulo, že hodnota PMD tam zvýšená není, neboť hodnota DOP byla pro tyto úseky vysoká, což svědčilo o nízkém dvojlomu ve vláknu [7].

PMD_grafOTDR

Obr. 5 Ukázka náměru PMD přístrojem POTDR, MIKROKOM s.r.o.

Z ukázky grafů a hodnot náměru trasy je vidět na obrovské výhody skryté v přístroji POTDR. Pro zhodnocení poměrů PMD na celé trase je samozdřejmě rozhodující celková hodnota PMD. Přístroj POTDR však umožňuje nepřímým způsobem analyzovat situaci PMD i po celé trase po částech, čímž lze detekovat nevyhovující či vadné úseky optické trasy. Přístroj POTDR na závěr měření vypracovává závěrečný protokol, ve kterém jsou zaznamenány též informace o konektorech a svárech použitých na trase. Stanovit úseky s nevyhovující hodnotou PMD, či části trasy nevhodně ovlivňující celkovou hodnotu PMD je tak poměrně snadné lokalizovat.

Způsoby eliminace PMD u stávajících tras jsou tedy čtyři:

  1. Použití jiné vlnové délky. Pokud nevyhovuje přenosová cesta pro konkrétní vlnovou délku, stojí zpravidla za pokus vyzkoušet jiný rozsah použité frekvence. Je to způsob velmi jednoduchý, avšak často těžko realizovatelný a účinný jen v malém procentu případů.
  2. Použití jiného vlákna optického kabelu. Optická cesta bývá zpravidla zajištěna i několika rezervními, servisními vlákny, či vlákny určenými pro přenos pouze režijních informací. Pro nejnižší hodnotu PMD zpravidla zkoušíme všechna vlákna v kabelu a ta použijeme pro nejdůležitější přenosovou cestu. Pokud nemáme k dispozici měřící přístroj, je to spolu se způsobem změny vlnové délky jediný způsob jak se vyhnout nákladné změně celého kabelu.
  3. Výměna celé optické trasy. Tento způsob patří ke krajním způsobům řešení. Zpravidla ji však doporučuji pro optické trasy se starými optickými vlákny vyrobenými v devadesátých letech a pro trasy s vlákny poškozenými. Výměna optických kabelů je výhodná zejména na trasách se staršími opt. kabely a tam, kde se kabely zatahují či zafukují a jejich výměna tudíž není tak nákladná.
  4. Výměna úseku vlákna. Tato metoda vyžaduje proměření optické trasy reflektometrickým přístrojem POTDR. Tento způsob je nejefektivnější a lze jej použít na všech druzích optických tras. V současné době je měření disperze (zejména PMD) standardem a tak většina nově postavených optických tras i tras upgradeovaných na vyšší přenosovou rychlost (STM-64) je proměřena.

V současnosti se však měření PMD stává standardem i na kratších a méně významných trasách. Při instalaci nových se zcela oprávněně počítá s nasazováním rychlejších přenosových systémů 10 Gbit/s a do budoucna zřejmě i 40 Gbit/s sítí. Kontrolní měření zejména po dokončení instalace trati se stále více rozšižují a stávají se běžnou praxí. Měření PMD je a bude stále více rozšířené.

Závěr

V článku bylo ukázáno, že způsoby zvyšování přenosové kapacity stávajícího páteřního optického spoje jsou závislé na dalších vstupních parametrech. Často je rozhodnutí o použitém či použitelném způsobu ovlivněno kvalitou a použitou technologií stávajícího uloženého optického kabelu. Obecný návod na zvýšení kapacity tak není jednoduché vytvořit, vždy je třeba zodpovědně zhodnotit situaci a rozhodnout zejména podle typu média. V akademické síti VUT jsme provedli řadu měření optických kabelových tras s PMD analyzátorem. Výsledky měření však ukazují, že před nasazením konkrétní technologie, je vždy nutné absolvovat řadu velmi důležitých měření a analýz stavu optické kabeláže. Neuvážené nasazení systému na nepřiměřené vlákno by mohlo vyústit v nehospodárně vynaložené prostředky. V horším případě by navržená technologie v praxi nemusela být vůbec funkční. V praxi se potvrzuje, že v budoucnu se měření disperzních vlivů stanou běžnými standardy pro nasazení moderních WDM technologií. Přístroj POTDR se prokazuje jako v praxi použitelný nástroj pro lokalizaci úseků s vysokou hodnotou PMD na optických trasách. Na rozdíl od přístroje EXFO 5500B, který vyžaduje přístup k oběma koncům vlákna, je přístroj POTDR mnohem flexibilnější a měření s ním snažší. Relativně snadno lze tak odhalit a výměnit úsek trasy vykazující nepříjemné disperzní vlastnosti a ekonomickým způsobem připravit trasu, která bude z hlediska PMD vyhovující pro nasazení vysokorychlostních systémů se současně standardní přenosovou rychlostí 10 Gbit/s.

Literatura

[1] Fischer, S., Randel, K., Petermann, J.K. PMD outage probabilities of optical fiber transmission systems employing bit-to-bit alternate polarization, IEEE Photonics Technology Letters, Volume: 17, Issue: 8, pp. 1647-1649, August 2005.
[2] Martin Hájek, Petr Holomeček: Měření chromatické a polarizační vidové disperze jednovidových optických tras, CABLEX, České Budějovice 2002
[3] Martin Hájek: Zkušenosti s měřením polarizační vidové disperze (PMD) jednovidových optických kabelových tras, OPTICKÉ KOMUNIKACE, Praha 2002
[4] ITU-T Recommendation G.652: Characteristics of a single-mode optical fibre cable. ITU-T, April1997
[5] ITU-T Recommendation G.653: Characteristics of a dispersion-shifted single-mode optical fibre cable. ITU-T, April1997
[6] ITU-T Recommendation G.655: Characteristics of a nan-zero dispersion shifted single-mode optical fibre cable. ITU- T J October 1996
[7] Brouček, J., Holomeček, P.: P-OTDR lokalizace kabelových úseků s vysokou hodnotou PMD, firemní dokumentace Mikrokom s. r. o., 2004
[8] Schlitter M.: Optická vlákna pro vysokokapacitní přenosy, Sborník z konference "Architektura a služby pevných telekomunikačních sítí" ČVTSS, Praha, 9., 1999
[9] Bartošek P.: Optická vlákna pro WDM. TELEKOMUNIKACE, č.5/99, str. 11
[10] Sbomík z Technologického semináře Bell Labs v hotelu Holiday Inn, Lucent Technologies, Praha, 4. 5. 1999
[11] ITU- T Recommendation G.692: Optical interfaces for multichannel systems with optical amplifiers. ITU- T, October 1998
[12] Kucharski, M., Dubský, P.: Měření přenosových parametrů optických vláken, kabelů a tras, MIKROKOM, Praha 1998
[13] Saleh, B. E. A., Teich, M. C.: Základy fotoniky 4, MATFYZPRESS, Praha 1996
[14] Norma ČSN EN 188000
[15] Norma ČSN EN 188101
[16] ITU-T Recommendation G.691: Opical interfaces for single channel STM-64 and other SDH systems with optical amplifier, ITU-T, 12/2003
[17] ITU-T Recommendation G.959.1: Optical transport network physical layer interfaces, ITU-T, 12/2003