Обзор подготовлен

При поддержке

Система администрирования и автоматического мониторинга волоконно-оптических кабелей ORION/QUESTfiber

Содержание:

1. Назначение системы
2. Архитектура системы
3. Методы контроля оптических волокон
4. Контроль спектральных характеристик
5. Работа автоматизированных систем администрирования ВОК
6. Сравнительные характеристики
7. ВЫВОДЫ

1. Назначение системы

Интенсивное развитие современных телекоммуникационных сетей и необходимость обеспечения их безотказной работы выдвигают на первый план задачу централизованного документирования и контроля сетевого кабельного хозяйства с возможностью прогнозирования и минимизации времени устранения неисправностей возникающих в волоконно-оптических линиях связи. Наиболее эффективно данная задача решается с помощью автоматизированных систем администрирования волоконно-оптических кабелей, включающих систему удаленного контроля оптических волокон (Remote Fiber Test System — RFTS), программу привязки топологии сети к географической карте местности, а так же базы данных оптических компонентов, критериев и результатов контроля. При этом удаленный контроль оптических волокон выполняется с помощью оптических импульсных рефлектометров (Optical Time Domain Reflectometer — OTDR) осуществляющих диагностирование волокон по обратному рассеиванию световой волны распространяющейся в пассивном или активном волокне оптического кабеля.

В первом случае производится контроль не предназначенного для передачи данных резервного оптического волокна, по результату которого судят об исправности всего кабеля, что не требует модификации действующих систем оптической связи. Во втором случае тестируется волокно, по которому производится передача данных. Для этого, в линию связи вводится оптическое излучение длиной волны отличной от длины волны используемой для передачи данных, а на приемной стороне производится разделение этих волн. Как известно, данный принцип может использоваться как для одного волокна, так и для всех волокон контролируемого кабеля и требует введения в систему оптической связи дополнительных компонентов.

Независимо от метода контроля оптических волокон, система должна обеспечивать:

• Дистанционный автоматический контроль пассивных и активных оптических волокон кабелей;
• Документирование волоконно-оптического кабельного хозяйства;
• Автоматическое обнаружение неисправности ВОЛС с указанием ее точного местоположения на основе сравнения текущих и эталонных результатов измерения параметров ВОЛС;
• Проведение измерений параметров оптических волокон в ручном режиме по запросу оператора системы;
• Различные способы оповещения персонала о повреждении оптических кабелей (визуальная и звуковая сигнализация, автоматическая рассылка сообщений на пейджер, по заданным адресам электронной почты, по факсу);
• Автоматический анализ изменения параметров оптических волокон во времени на основе накапливаемых в процессе мониторинга данных;
• Для обеспечения функции управления процессом инсталляции ВОК должен быть предусмотрен удаленный доступ к системе по различным каналам связи с использованием портативного компьютера или рефлектометра со специальной функцией удаленного доступа;
• Совместимость с Bellcore форматом хранения рефлектограмм. Эта функция предназначена для возможности загрузки в систему данных измерений, произведенных на сети с помощью рефлектометров различных фирм-производителей.
• Система должна иметь возможность интеграции в общую сеть управления телекоммуникациями (TMN) сети связи оператора.

Система администрирования волоконно-оптических линий связи ORION/QUESTfiber компании NetTest (Optical Division) является одной из наиболее передовых систем имеющих перечисленные возможности. Это подтверждает тот факт, что из всех эксплуатирующихся в настоящее время в мире систем аналогичного назначения, около 80% являются системой ORION/QUESTfiber. Данная система установлена в таких телекоммуникационных компаниях мира, как National Fiber Network, ADC Telecommunications и АТ&Т Network Systems (США), Telsetra (Австралия), Telemig (Бразилия), Bezeq (Израиль), SANEF и SNCF (Франция), Deutsche Telekom, FTZ (Германия), Telia AB (Швеция) и др.

ORION/QUESTfiber позволяет диагностировать нарушения оптических кабелей обоими указанными методами и отличается от аналогичных систем, использованием в ней оптического рефлектометра с наивысшим разрешением и динамическим диапазоном, равным 46 дБ на длине волны 1550 нм и 43 дБ на длине волны 1625 нм. Применение такого мощного рефлектометра обеспечивает возможность контроля сложных многоточечных сетей при минимальном числе используемого оборудования, охватывая площадь до 300 000 км2 и позволяя адаптировать систему к всесторонним потребностям заказчика. В то же время, специальные методы обнаружения, нарушений позволяют проводить тест 20 оптических волокон длиной 150 км и больше менее чем за 12 минут, а благодаря расширенному диапазону (Extended Range — ER) режима контроля оптических волокон, RFTS позволяет обнаружить нарушения кабелей на расстоянии до 300 км, что недостижимо при использовании любого существующего OTDR.

2. Архитектура системы

Автоматизированные системы администрирования ВОК, как правило, состоят из системы удаленного контроля оптических волокон (международное название RFTS — Remote Fiber Test System), программы привязки топологии сети к географической карте местности, а также базы данных оптических компонентов, критериев и результатов контроля. При этом аппаратные средства сосредоточены в RFTS, являющейся ядром всей системы. Остальные составные компоненты системы являются программными средствами ввода, хранения, обработки и отображения.

Дистанционный контроль оптических волокон выполняется оптическим импульсным рефлектометром, диагностирующим состояние волокна по обратному рассеянию световой волны при введении в волокно зондирующих импульсов. При этом системы позволяет производить мониторинг как свободных, так и занятых волокон.

Дальнейшим развитием системы мониторинга ORION/QUESTfiber явилась возможность интеграции в систему модуля тестирования поляризационной модовой дисперсии и модуля анализатора оптического спектра. Это обусловлено стремительным ростом скоростей передачи ВОСП и развитием систем передачи со спектральным уплотнением оптических каналов, когда помимо физической целостности волокна появляется необходимость проводить автоматический мониторинг параметров линейного оптического сигнала и параметров оптического волокна, непосредственно влияющих на качество передачи высокоскоростных цифровых потоков.

Основу архитектуры системы удаленного контроля оптических волокон RFTS в общем случае составляют следующие функциональные элементы:

• Удаленный модуль тестирования оптических волокон (RTU — Remote Test Unit);
• Модуль доступа/коммутации тестирования оптических волокон (OTAU — Optical Test Access Unit) или оптический коммутатор;
• Устройство управления системой мониторинга ВОК (TSC — Test System Control) на базе UNIX сервера или персонального компьютера, соответствующего программного обеспечения, а также оборудования необходимого для обеспечения связи между компонентами системы.

Рис.1 Обобщенная структурная схема САМ-ВОК

К дополнительным элементам системы можно отнести пассивные оптические компоненты (оптические мультиплексоры WDM, оптические фильтры), вводимые в сеть мониторинга при активном тестировании, а также средства документирования (принтер), отображения и передачи (приема) аварийных сообщений (колонки для звуковой сигнализации, факс, пейджер).

RTU представляет собой блок, монтируемый в стойку 19" и/или 23" (в зависимости от производителя), в состав которой входит один или два оптических модуля рефлектометра, набор интерфейсных плат для обеспечения связи между компонентами системы, плату компьютера для хранения и обработки данных в ходе мониторинга и другие функциональные элементы. Удаленные модули тестирования характеризуются следующими параметрами: количество и тип интерфейсов взаимодействия, количество и тип встраиваемых оптических модулей и их технические характеристики, объем внутренней памяти, масса-габаритные показатели, номиналы питающих напряжений и потребляемая мощность, окружающие условия эксплуатации.

Оптический коммутатор OTAU представляет собой оптический переключатель — модуль доступа для контроля оптических волокон, позволяющий сформировать необходимое число портов подключения волокон к RTU. Большинство производителей выполняют оптический коммутатор встроенным в корзину RTU и как опцию предлагают дополнительный внешний коммутатор. Однако наилучшим решением, позволяющим получить более гибкую и масштабируемую сеть мониторинга ВОК, является использование именно внешних оптических коммутаторов. Такое решение используется в системах ORION/QUESTfiber производства компании NetTest и FiberVisor — EXFO, позволяя размещать OTAU независимо от местоположения RTU (расстояние ограничено динамическим диапазоном используемого модуля рефлектометра) и создавать схемы мониторинга типа «разветвленное дерево». Оптические коммутаторы характеризуются следующими параметрами: вносимое затухание, уровень обратного отражения, уровень переходных помех, повторяемость характеристик при коммутации, время переключения и количество циклов переключения.

Устройство управления системой мониторинга TSC представляет собой рабочую станцию под управлением UNIX или персональный компьютер с операционной системой Windows (в зависимости от производителя RFTS) и прикладным программным обеспечением системы мониторинга. Как правило, производители предлагают несколько видов конфигураций системы управления сетью мониторинга ВОК.

В системах автоматического мониторинга обычно предусмотрено несколько типов связи между компонентами, что позволяет легко интегрировать систему в структуру первичной сети связи оператора. Основные из них:

• через сеть WAN/LAN посредством TCP/IP протокола. Этот тип связи используется в подавляющем большинстве конфигураций RFTS в силу его универсальности по отношению к канальному уровню используемого канала связи, открытости к наращиванию и надежности.

  

• по коммутируемой телефонной линии посредством модемов с V.-хх протоколом.

  

• прямая связь с оборудованием, используя последовательный порт с RS-232C протоколом.

Широкий выбор средств связи между компонентами RFTS обеспечивает большую гибкость технический решений на этапе проектирования и инсталляции при одновременном использовании различных типов связи на различных участках сети мониторинга и в процессе ее последующего обновления и развития.

3. Методы контроля оптических волокон

Как было отмечено выше, контроль оптических кабелей (ОК) по пассивным оптическим волокнам основан на тестировании резервного не используемого оптического волокна ВОК при длине волны траф оптического сигнала трафика, независимо от длины волны тест тестирующего оптического излучения:

Метод контроля оптического кабеля по резервному волокну

Схема организации контроля оптических кабелей по резервному волокну

При этом по состоянию контролируемого резервного оптического волокна судят об исправности всего кабеля, и, по некоторым данным этот способ мониторинга ВОК обеспечивает выявление около 90% нарушений кабеля.

Но в силу интенсивного развития телекоммуникаций и значительного возрастания объемов передаваемой информации все большее значение приобретает другой способ мониторинга ВОК — по активным оптическим волокнам. При этом необходимо использовать рабочую длину волны рефлектометра RTU отличную от длины волны передачи ЦСП:

Метод контроля оптического кабеля по активному волокну

На передающей или приемной стороне ВОЛС вводятся WDM — оптический мультиплексор с разделением по длинам волн, объединяющий длину волны тестирующего излучения с длиной волны передачи трафика от сетевого оборудования, а для исключения взаимного влияния процессов передачи данных и контроля оптического волокна в схему мониторинга вводятся фильтры верхних (LPF) и нижних (SPF) волн. Последние предотвращают попадание тестирующего излучения на вход приемного оборудования аппаратуры передачи данных, а излучение информационного сигнала — на высокочувствительный фотодетектор рефлектометра RTU.

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 оптических мультиплексоров и фильтров.

4. Контроль спектральных характеристик

Известно, что основным фактором, ограничивающим возможности волоконно-оптических линий связи до настоящего времени является само оптическое волокно, параметры которого определяют основные характеристики волоконно-оптической линии связи — максимальную дальность связи и максимальную полосу пропускания. При этом, если первый параметр определяется выходной мощностью источника излучения, чувствительностью приемника и потерями волокна, то второй зависит от частотных характеристик источника и приемника, а также дисперсии волокна.

В связи с этим все более актуальным становится анализ оптического спектра, который представляет собой измерение оптической мощности в зависимости от длины волны. Необходимость данного вида измерений в первую очередь связана с контролем спектра источников оптического излучения, а также определением степени влияния спектральных составляющих на параметры волоконно-оптических компонентов и передачу данных по волоконно-оптическим линиям связи. Кроме этого введение в линии связи волоконно-оптических усилителей, в частности EDFA (эрбиевых усилителей) и развитие технологии DWDM (уплотненного мультиплексирования по длине волны), вызывают необходимость анализа оптического спектра, без которого практически невозможно проводить инсталляцию и эксплуатацию современных волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). На рисунке приведена экспериментально полученная характеристика спектра реальной WDM системы передачи с промежуточным оптическим усилителем на легированном эрбием волокне (EDFA) .

Учитывая эти особенности современных систем передачи, в системе ORION/QUESTfiber предусмотрена возможность организации мониторинга линий связи, с возможностью данных видов измерений, позволяя тем самым представить полную картину о состоянии ее оптических волокон и кабелей.

Спектр WDM системы передачи

5. Работа автоматизированных систем администрирования ВОК

После того, как на этапе монтажных работ и инсталляции оборудования системы произведено подключение оптических волокон, подлежащих мониторингу, к оптическим коммутаторам, установлены рабочие станции управления RFTS с соответствующим программным обеспечением, настроены каналы связи между компонентами системы, оператор приступает к созданию базы данных по тестируемым ВОК и составу оборудования RFTS, а также заданию критериев контроля. Рассмотрим этапы конфигурирования системы администрирования оператором:

1. создание базы данных по оборудованию RFTS с указанием информации о местоположении каждого элемента, его типа, конфигурации, информации по используемым каналам связи, и др.
2. создание базы данных по тестируемым оптическим волокнам и кабелям. При этом, указывается оптический коммутатор и номер порта в нем, к которому подключено волокно, индивидуально для каждого волокна задаются параметры тестирования — длина волны (определяется типом оптического модуля RTU), диапазон/разрешение, длительность импульса, коэффициент преломления ОВ (берется из паспортных данных на кабель), степень усреднения рефлектограммы.
3. снятие эталонных рефлектограмм. После того как данные об оборудовании RFTS и оптическим волокнам, подлежащих контролю, прописаны в системе управления, эта информация дистанционно загружается индивидуально в каждый RTU. После этого RTU «знает», какой оптический коммутатор к нему подключен, какие волокна и в каком режиме он должен контролировать, при превышении каких значений порогов ему необходимо посылать сигнал аварии на TSC. Далее оператор в ручном режиме снимает рефлектограммы оптических волокон, сохраняет их в качестве эталонных и также загружает в соответствующее RTU.
4. создание сценария мониторинга. Как правило, в RFTS предусмотрено несколько типов контроля — постоянный, по запросу оператора и по расписанию. На этом этапе оператор в соответствии с определенной в проекте идеологией администрирования ВОК, задает индивидуально для каждого волокна периодичность тестирования (для контроля по расписанию) и назначает пороговые значения параметров событий на протяжении контролируемого участка, при превышении которых в процессе мониторинга система инициирует сигнал аварии.

Далее, если в процессе мониторинга, какое-либо RTU обнаруживает отклонение снятой первичной рефлектограммы от хранящейся в нем эталонной, то устанавливается связь с управляющим компьютером и посылается сигнал аварии. В компьютере полученная информация обрабатывается и выводится в виде визуальной и звуковой сигнализации. При этом указывается дата и время аварии, условия возникновения и тип повреждения, какие пороги и на сколько превышены. На электронной карте визуально показывается место повреждения с указанием его координат. Оповещение об авариях может происходить также путем автоматической отправки сообщения на пейджер, SMS сообщения на мобильный телефон, по электронной почте и на факс.

При прогнозирующем обслуживании выполняется регулярное автоматическое накопление в базе данных характеристик и результатов измерений оптических волокон (ослабления, потерь, рефлектограмм и др.), анализируется динамика изменения параметров оптического тракта во времени, и локализуются места прогрессирующего изменения параметров. При этом в системе ORION/QUESTfiber динамика изменения параметров оптических волокон отслеживается с построением соответствующих графиков для повышения эффективности обнаружения «проблемных» мест в кабелях до того, как они повлияют на параметры передачи трафика ВОСП.

Обычно в RFTS каждая из рассмотренных процедур имеет свой уровень приоритета доступа, который при необходимости может быть изменен. В системе мониторинга ORION/QUESTfiber применен координально новый подход к организации доступа к базе данных системы, основанный на создании так называемых доменов.

6. Сравнительные характеристики

В настоящее время на отечественном рынке представлены четыре системы администрирования волоконно-оптических кабелей — система ORION/QUESTfiber фирмы NetTest, система Atlas фирмы Acterna, система AccessFiber фирмы Agilent Technologies и система FiberVisor фирмы EXFO. Также есть еще ряд систем, таких как OCN-MS фирмы Nicotra Sistemi, SmartLGX фирмы Lucent и др., но в силу того, что на отечественном рынке их никто не представляет, далее они не рассматриваются.

Автоматизированные системы администрирования ВОК реально стали появляться на первичной сети отечественных операторов связи в 1999 году. В июне 1999 года АО МГТС провело опытную эксплуатацию систем Atlas и ORION/QUESTfiber на своей сети по результатам которой была закуплена и в настоящий момент успешно эксплуатируется система ORION/QUESTfiber. Кроме того, в настоящее время ОАО МГТС по мере развития своей первичной сети связи рассматривает возможность расширения сети мониторинга за счет приобретения дополнительного оборудования системы ORION/QUESTfiber .

С декабря 1999 по июнь 2000 три системы проходили испытания на сети ОАО Ростелеком — ORION/QUESTfiber, Atlas и AccessFiber. По решению комиссии были рекомендованы для закупки и инсталляции системы ORION/QUESTfiber и AccessFiber. В ноябре — декабре 2000 по результатам испытаний АО РАСКОМ приняло решения о закупке системы ORION/QUESTfiber. В июле 2001 года система была установлена на сети РАСКОМ. В настоящее время реализуется второй этап развертывания САМ-ВОК ORION/QUESTfiber на сети ЗАО «Раском».

В настоящее время система ORION/QUESTfiber успешно прошла испытания в компании ЦентрТранстелеком, Транстелеком-НН и находится в опытной эксплуатации на волоконно-оптической сети ОАО «Электросвязь» в городе Тверь.

Необходимо также отметить, что система ORION/QUESTfiber имеет сертификаты Госстандарта и Министерства связи РФ, накоплен опыт ее инсталляции и обслуживания, а компания SYRUS SYSTEMS, предлагающая ее, имеет в своем штате квалифицированных специалистов способных быстро и качественно произвести весь спектр работ по установке системы, начиная от разработки проекта и заканчивая обучением технического персонала заказчика.

Несмотря на широкий спектр возможностей автоматизированных систем администрирования ВОК, они продолжают совершенствоваться. Это связано с усложнением оптических сетей связи, внедрением новых технологий передачи информации (WDM, DWDM, CWDM), увеличением объемов передаваемой информации и эволюцией идеологии процедур контроля и измерения в телекоммуникациях в сторону внедрения на сетях связи глобальных контрольно-измерительных систем. Параметры оптических волокон, которые в недавнем прошлом не принимались во внимание из-за незначительного влияния на качество передачи, с развитием волоконно-оптических сетей и технологий приобретают определяющее значение. К ним можно отнести хроматическую и поляризационную дисперсию, а также нелинейные искажения (фазовая самомодуляция, четвертьволновое смешивание). Вследствие этого наблюдается постепенная интеграция в системы администрирования и мониторинга оптических модулей для мониторинга оптической мощности, измерения поляризационной модовой дисперсии, отслеживания состояния оптического спектра. Совершенствуются функции документирования контролируемых сетей, повышая тем самым ее управляемость и облегчая процесс конфигурирования сети. Приобретает большую актуальность вопрос интеграции таких систем в сеть управления телекоммуникациями (TMN), что заставляет производителей совершенствовать и этот важный аспект функционирования систем. Расширяются функции по доступу к базе данных систем мониторинга — появляются функции доступа через Internet, удаленный доступ с удаленного рефлектометра.

7. ВЫВОДЫ

Обобщая вышеизложенное, отметим, что использование автоматизированных систем администрирования ВОК позволяет обеспечить автоматическое обнаружение, точную локализацию и индикацию на географической карте возникшей неисправности ВОЛС, позволяя немедленно направить ремонтную бригаду для проведения восстановительных работ и минимизировать время устранения нарушений оптических кабелей, к которым можно отнести:

• обрывы кабеля, обусловленные строительными работами, пожаром, автодорожными и железнодорожными авариями, стихийными бедствиями или саботажем;
• неисправности, вызванные выходом из строя компонентов ВОЛС, некачественными сварными соединениями, увеличением потерь из-за попадания влаги в кабель нарушением коммутаций в сети и др.

Внедрение системы автоматического мониторинга неразрывно связано с созданием базы данных сетевого кабельного хозяйства волоконно-оптической сети. Ввиду ее централизованности, гибкой наращиваемости и конфигурируемости это способствует повышению степени оперативности управления сложными и разветвленными ВОЛС, упрощению задач документирования новых прокладываемых кабелей и изменения статуса уже существующих.

Компоненты системы имеют модульную конструкцию с широким спектром различных конфигураций и наборов интерфейсов, поэтому система мониторинга легко внедряется в любую телекоммуникационную сеть, наращивается и подстраивается под ее текущие изменения.

С растущей конкуренцией в телекоммуникационной индустрии более явно вырисовывается проблема постоянного поддержания высокого качества предоставляемых услуг. Системы администрирования позволяют оптимизировать среднее время восстановления ВОЛС при отказе и способны идентифицировать неисправности ВОК до того, как они повлияют на качество связи. Таким образом, она обеспечивает высокий уровень сервисного обслуживания волоконно-оптической сети связи, сохраняя инвестиции и способствуя повышению качества обслуживания конечных пользователей.

Применение систем на первичной сети связи операторов обеспечивает эффективное использование человеческих ресурсов. Когда возникает неисправность, то система обнаруживает ее и локализует. Восстановительная бригада отправляется непосредственно к месту повреждения с наличием подробной информации по данной аварии. Так как вследствие этого время восстановления значительно сокращается, то человеческие ресурсы могут распределяться более эффективно и, в конечном итоге, сокращается стоимость поддержания работоспособности и высокой надежности системы связи.