Советы по инсталляции оптических сетей
Lan Magazine/Журнал сетевых решений, (Февраль 1998, том 4, номер 2)
Советы по инсталляции оптических сетей
Благодаря волоконно-оптическим кабелям ваша организация может приобщиться к миру современных высокоскоростных коммуникаций и передачи данных. Знание основных процедур инсталляции таких сетей будет при этом небесполезно.
Джеймс Джонс
Тестирование - ключ к надежному функционированию высокопроизводительных
оптических сетей
Советы по тестированию
Если требования вашей компании к передаче данных постоянно растут, то пришло время подумать об инсталляции волоконно-оптического кабеля. Технологии высокоскоростной передачи данных, такие как Gigabit Ethernet и ATM, вкупе с высоким быстродействием современных микропроцессоров предъявляют повышенные требования к существующей сетевой инфраструктуре на основе медного кабеля. Однако в настоящее время возможности передачи информации ограничены скоростью в 100 Мбит/с и расстоянием порядка сотни метров. В то же время волоконно-оптическая среда передачи данных поддерживает скорости от 9,6 Кбит/с до 2 Гбит/с и расстояния до 2 км. Вложения в такую кабельную систему надежно защищены - если она и устареет, то очень нескоро. Располагая сетью на основе волоконно-оптического кабеля, компания без труда перейдет на более скоростные технологии, соответствующие требованиям применяемых приложений. Например, волоконно-оптическая линия может служить изначально в качестве канала SCADA, обеспечивающего передачу со скоростью 9,6 Кбит/с, а затем эксплуатироваться как линия SONET OC-12 на 622 Мбит/с. Для этого надо лишь сменить оконечное оборудование.
Естественно, волоконно-оптическая кабельная система будет соответствовать требованиям высокоскоростных технологий только при правильном ее проектировании и инсталляции. В данной статье мы рассматриваем основные вопросы, которые нужно принимать во внимание при инсталляции такой среды передачи данных.
РАСПРОСТРАНЕННЫЕ ОШИБКИ ИНСТАЛЛЯЦИИ
Приступая к реализации любого проекта, всегда полезно знать, чего именно следует избегать. Ниже перечислены некоторые наиболее распространенные ошибки, часто встречающиеся при инсталляции систем на основе волоконно-оптического кабеля.Небрежное планирование. Данная ошибка наиболее типична при прокладке любого, а не только волоконно-оптического телекоммуникационного кабеля. Схему кабельной сети, поддерживающих ее устройств и оконечных компонентов необходимо тщательно продумать и спланировать. Если кабельная проводка должна инсталлироваться в строящемся или реконструируемом здании, то строительство или реконструкцию следует осуществлять с учетом последующей прокладки кабельной системы. Планирование телекоммуникационной системы не следует оставлять "на потом", тем самым вы увеличите стоимость работ и усложните их.
Приобретение волоконно-оптического кабеля без знания его рабочих спецификаций и характеристик. Прежде чем покупать кабель, следует разобраться в таких его характеристиках, как коэффициент отражения, диапазон рабочих частот кабеля, потери на километр длины при рабочей длине волны, физические размеры оптического волокна и оболочки, а также максимальное усилие, которое разрешается применять к кабелю, чтобы не повредить его внутренние волокна (нити стекловолокна).
Применение волоконно-оптического кабеля без результатов фабричного тестирования. Производитель кабеля после "сборки" продукции выполняет ее всестороннее тестирование, чтобы определить, отвечает ли она требованиям спецификаций, и защитить себя от возможных дополнительных расходов на возмещение ущерба покупателю. Каждая катушка волоконно-оптического кабеля должна поставляться с отчетом о результатах фабричного тестирования. Без такой информации нельзя быть уверенным, что полученная продукция соответствует предъявленным требованиям.
Невыполнение тестирования кабеля после его доставки. Это вторая по распространенности ошибка, встречающаяся в процессе инсталляции волоконно-оптической кабельной системы. Если вы не протестируете кабель перед инсталляцией, то определить, когда он был поврежден - при поставке или при прокладке, будет невозможно. Для этого необходимо использовать, как минимум, источник и измеритель мощности оптического сигнала, с целью проверки прохождения света по каждому волокну нового кабеля. При получении кабеля (пока он еще находится в катушке) лучше всего проверить его с помощью оптического измерителя отраженного сигнала (Optical Time Domain Reflectometer, ОTDR) - инструмента определения профиля каждого волокна кабеля.
Недостаточная протяженность кабеля в телекоммуникационном шкафу (для обеспечения правильной концевой заделки). Обычно рекомендуется оставлять от 3 до 3,5 м кабеля. Это облегчит внесение изменений в монтажном шкафу и уменьшит стоимость работ - при каких-либо модификациях (например, реорганизации монтажного шкафа) вам не придется наращивать кабель или заменять его на другой, более длинный.
Невыполнение контрольного тестирования и документирования проложенного волоконно-оптического кабеля (охватывающего одно здание или комплекс зданий) перед инсталляцией оконечного оборудования. Без тестирования проложенного кабеля нельзя быть уверенным в правильности инсталляции. В случае неправильной инсталляции производительность может серьезно пострадать. Более того, отсутствие документации по кабельной проводке затруднит впоследствии диагностику и устранение неисправностей. Ниже мы обсудим процедуры тестирования для проверки правильности инсталляции и соответствия кабельной системы требованиям производительности.
Невыполнение анализа оптических потерь до покупки и подключения оконечного оборудования. Бюджет оптических потерь - это разница между мощностью передаваемого по кабелю сигнала и оптической чувствительностью приемника, измеряемая в децибелах (дБ). Бюджет следует составить до прокладки кабеля и подключения оконечных устройств, а не предполагать заранее, что все будет работать, чтобы потом обнаружить проблемы. (Бюджет оптических потерь кабеля мы обсудим ниже.)
Отсутствие защиты магистрального волоконно-оптического кабеля путем его оконечного подключения к коммутационной панели. Для сохранения инвестиций вашей компании каждый магистральный волоконно-оптический кабель должен быть заделан в защищенный корпус, а каждое волокно кабеля - иметь соединитель. После этого с помощью коротких перемычек кабель можно подключать к оконечному оборудованию.
Невыполнение тестирования оконечного волоконно-оптического оборудования перед его установкой. Во всех случаях аппаратное обеспечение нужно тестировать. Это позволит установить, будет ли данное оборудование взаимодействовать с другими оконечными устройствами. Во время такой контрольной установки полезно проверить мощность оптического выхода коммуникационного оборудования и определить долю ошибочных битов (Bit Error Rate, BER).
Комбинирование многомодовых и одномодовых волоконно-оптических компонентов. Такое сочетание компонентов создает избыточные оптические потери там, где их быть не должно. Основная разница между одномодовым и многомодовым оптическим волокном состоит в допусках на волоконно-оптические разъемы, соединительные муфты, стыки и другие компоненты. Для многомодовых компонентов размер допуска составляет +-3 микрона, а для одномодовых компонентов +-1 микрон. Таким образом, одномодовые волоконно-оптические компоненты можно применять в многомодовых инсталляциях, но не наоборот. В первом случае подобная замена допустима лишь в экстренных случаях, поскольку одномодовые компоненты на порядок дороже многомодовых аналогичного назначения. Для отделения одномодовых участков от многомодовых каждое волокно должно заканчиваться в отдельном блоке. Такая концевая заделка защищает его и обычно предусматривает применение оптической панели переключений, при этом каждое волокно кабеля получает отдельный соединитель.
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ
При покупке, инсталляции и тестировании волоконно-оптических систем необходимо знать единицы измерения. В США для выражения различных измерений волоконно-оптической кабельной проводки применяется метрическая система. Длина кабеля выражается в метрах или километрах, а диаметр кабеля - в сантиметрах или миллиметрах. Диаметр оптического волокна измеряется в микронах (микрон - одна миллионная доля метра). Сердцевина многомодового волокна имеет обычно диаметр в 62,5 микрон, а одномодового кабеля - 8 микрон. Диаметр оболочки стекловолокна, применяемого в коммуникационных приложениях, как правило, равен 125 микрон. Волокно многомодового кабеля характеризуется большей частью отношением диаметров сердцевина/оболочка, например 62,5/125, 50/125 или 100/140.Длина волны оптического сигнала измеряется в нанометрах (нм). Нанометр равен одной миллиардной доле метра. Обычно оптические источники, применяемые в волоконно-оптических системах, имеют длину волны 850, 1300 или 1550 нм. Некоторое старое оборудование работает с волнами 780 и 1310 нм.
Еще одной важной характеристикой является оптическая мощность, изменяемая в милливаттах или децибелах (чаще применяются последние). Децибел - это логарифмическое отношение двух уровней мощности, определяемое по формуле: разница мощности в дБ = 10 ln (мощность1/мощность2). Милливатты используются редко, поскольку получаемые значения очень малы. Типичной единицей измерения, применяемой в волоконно-оптических системах, является такая единица, как дБм (dBm) - измеренная мощность относительно уровня в 1 милливатт (0,001 ватт). В этом случае разница мощности в дБм = 10 ln (мощность1/0,001). Естественно, параметр "мощность1" измеряется в милливаттах. Спецификации источников оптического сигнала (трансмиттеров) и оптических детекторов (ресиверов) даются в децибелах.
В Таблице 1 указаны значения, представляющие некоторые относительные уровни сигналов в волоконно-оптической системе в децибелах.
Таблица 1 - Относительные уровни в дБ
| Выходной уровень мощности оптического источника или трансмиттера |
| Светодиодный: от -10 дБм до -25 дБм (для кабеля 62,5/125 микрон) |
| Лазерный: от 0 дБм до -13 дБм (для одномодового оптического кабеля) |
| Выходной уровень мощности волоконно-оптического кабеля, подключаемого к детектору или приемнику |
| От -20 дБм до -35 дБм (для кабеля 62,5/125 микрон) |
| От -20 дБм до -45 дБм (для одномодового волоконно-оптического кабеля) |
Оптические потери в системах на основе волоконно-оптического кабеля также выражаются в децибелах. Оптические потери привносит сам волоконно-оптический кабель, разъемы, соединительные муфты, стыки и т. д.
ПЛАНИРОВАНИЕ ИНСТАЛЛЯЦИИ
При выборе волоконно-оптического кабеля для инсталляции необходимо принимать во внимание четыре важных фактора: влияние на кабель внешней среды (независимо от того, предназначен он для использования внутри или вне помещения), обеспечиваемый им диапазон рабочих частот, его непрерывность и характеристики затухания (ослабления сигнала). Все эти обстоятельства очень важны при спецификации и покупке волоконно-оптического кабеля, но на последние два (непрерывность и затухание) на этапе инсталляции следует обращать особое внимание.Подверженность кабеля влиянию среды зависит от его физической конструкции и планируемого места прокладки. Кабели, укладываемые в грунт, отличаются от кабелей, прокладываемых в специальных коробах внутри помещения.
Поддерживаемый кабелем диапазон рабочих частот зависит от типа волоконно-оптического кабеля (одномодовый или многомодовый) и его качества. В смысле качества параметры затухания и диапазон частот связаны обратным отношением, иными словами, чем шире диапазон частот кабеля, тем меньше затухание (т. е. выше качество).
Бюджет запаса мощности предоставляет удобный метод анализа и количественной оценки потерь в волоконно-оптической линии. Бюджет мощности линии представляет собой сумму усилений и потерь на пути передачи сигнала от трансмиттера (через кабель и разъемы) к оптическому приемнику, включая запас мощности (которого мы коснемся ниже). Разность между передаваемой оптической мощностью и потерями в разъемах и соединителях должна находиться в границах между переданной мощностью и порогом чувствительности приемника. Чрезмерно большая оптическая мощность может указывать на насыщение оптического приемника, а слишком маленькая говорит о том, что приемник близок к своему порогу чувствительности. Это обычно сказывается на увеличении доли ошибок BER или выражается в нарушении работы кабеля и оконечного оборудования.
Результаты данного анализа позволят проверить наличие у волоконно-оптической линии достаточной мощности для преодоления потерь и корректного функционирования. Если анализ показывает обратное, то кабельную систему придется проектировать заново, чтобы она обеспечивала пересылку данных из конца в конец. Скорее всего, решение этой задачи потребует увеличения оптической мощности передатчика, повышения оптической чувствительности приемника, уменьшения потерь в волоконно-оптическом кабеле или разъемах либо применения всех перечисленных мер.
Составление бюджета запаса мощности - одна из наиболее важных задач при планировании инсталляции волоконно-оптической системы. При этом необходимо учитывать следующие факторы.
Запас мощности должен допускать некоторые вариации в рабочих характеристиках системы, не сказываясь на значении BER. Типичный запас мощности находится в границах от 3 до 6 дБ. Между тем никаких жестких правил относительно величины запаса мощности не существует. Необходимый запас зависит от типа волоконно-оптического кабеля, соединителей и применяемого оборудования (а также вашего опыта работы с ним). Если вы решили сделать запас мощности нулевым, то волоконно-оптическая линия должна иметь в точности ту оптическую мощность, которая необходима для преодоления потерь в кабеле и соединителях (при этом малейшее дополнительное ослабление сигнала чревато ухудшением характеристик передачи). Такого "нулевого варианта" следует по возможности избегать.
Вычисление бюджета мощности лучше всего описать на примере. Приведенные ниже спецификации являются общими для многих типов волоконно-оптических кабелей и соединителей.
Если выходная мощность оптического трансмиттера (согласно спецификациям) равна -10 дБм, а чувствительность оптического приемника составляет -22 дБм (при BER 10-6), то бюджет мощности равен -10 дБм - (-22 дБм) или +12 дБ. Этот результат означает, что для преодоления всех потерь в линии имеется мощность в 12 дБ.
Следующий шаг состоит в вычислении общих потерь в волоконно-оптической линии. Если затухание (ослабление сигнала) в кабеле при уровне 4 дБ/км равно -2 дБ (для участка 500 м), а потери в двух разъемах составляют по -1 дБ, то общие потери в волоконно-оптической линии определяются как -2 дБ + (-2 дБ) = -4 дБ.
Вычисленный запас мощности равен сумме +12 дБ и -4 дБ, т. е. +8 дБ.
Данный результат превышает наши ориентировочные значения запаса мощности
в +3 дБ. Таким образом, следует ожидать, что волоконно-оптическая линия
будет функционировать очень надежно и с низким значением BER. (Анализ бюджета
мощности представлен на Рисунке 1.)
Рисунок 1.
Волоконно-оптическая линия должна иметь запас мощности
не менее 3 дБ. Это гарантирует ее надежное функционирование и малое количество
ошибок (Bit Error Rate, BER). В данном примере бюджет мощности вычисляется
путем вычитания оптической чувствительности трансмиттера из оптической
чувствительности приемника, т. е. (-10 дБм) - (-22 дБм) = +12 дб. Совокупные
оптические потери равны сумме потерь в кабеле и разъемах. Вычисленный запас
оптической мощности - это бюджет мощности минус общие оптические потери,
т. е. (+12 дБ) - (-4 дБ) = +8 дБ. Полученный запас мощности (+8 дБ) превышает
желательный (+3 дБ). Таким образом, данный проект можно считать приемлемым.
ПРОЦЕСС ТЕСТИРОВАНИЯ
После инсталляции кабельной системы нужно протестировать ее и убедиться, что все сделано корректно. Сколько для этого потребуется оборудования и какого именно, зависит от степени вашего участия в проекте. Тестовое оборудование может быть самым разным - от простых измерителей мощности до сложных оптических измерителей отраженного сигнала (OTDR).Обычно тестирование и необходимое для него оснащение можно разделить на три уровня: низкий, средний и высокий. Между тем некоторые элементы типичны для всех уровней тестирования. Например, инструменты для тестирования волоконно-оптического кабеля предлагаются в виде тестовых комплектов, включающих в себя сумку для переноса инструментов, средства связи (например, радиопереговорные устройства), несколько соединительных муфт, очистителей, хлопковых протирок и хороших тестовых кабелей. Многие из данных элементов представляют собой расходные материалы, так что их можно выбросить после использования.
Кроме того, все оборудование для тестирования волоконно-оптических сетей должно поддерживать различные типы оптических соединителей, применяемых в кабельной системе (или иметь переходные адаптеры), а также многомодовый и одномодовый кабели. Помимо этого, оно должно быть калибровано в соответствии с оптическим окном, используемым оконечным волоконно-оптическим оборудованием.
При тестировании на нижнем уровне тестер применяется просто для проверки сигнала в соединителе, без измерения точного значения его оптической мощности. Такая проверка дает результат типа "проходит/не проходит" и не является тестированием в полном смысле этого слова. Ее цель состоит лишь в выяснении причины сбоя - оконечное оборудование, или пресловутое back-hoe-fade. При этом фактические данные измерений не имеют значения. Подобное тестирование обходится недорого, а все оснащение сводится к одному простому измерителю мощности. Стоимость такого тестового комплекта составляет от 300 до 500 долларов.
Тестирование на среднем уровне предусматривает измерение потерь в волоконно-оптическом кабеле и характеристик отраженного сигнала (OTDR). Такие тесты позволяют сертифицировать инсталлированный волоконно-оптический кабель (измерив потери и непрерывность маршрутов между конечными точками). Составленная на основе полученных данных документация полезна при диагностике и устранении неисправностей.
Большинство пользователей волоконно-оптических сетей выполняют тестирование именно на этом уровне. Для подобной проверки необходим оптический источник с корректной длиной волны, измеритель мощности среднего класса и оптический измеритель отраженного сигнала (OTDR). Стоимость данного тестового комплекта может составить от 6000 до 12 000 долларов, причем основные затраты вызваны необходимостью измерения OTDR.
Высокоуровневое тестирование предполагает сертификацию инсталлированного кабеля с помощью тестера, диагностику и устранение проблем, а также подготовку кабельной системы к передаче данных со скоростью, превышающей 100 Мбит/с. Для этого требуется все оборудование, необходимое для тестирования среднего уровня, плюс инструменты для измерения обратных потерь в инсталлированном волоконно-оптическом кабеле, оптический аттенюатор с переменными характеристиками (или несколько оптических аттенюаторов с фиксированными значениями потерь) и комплект для определения значения BER при высокой скорости передачи данных. Оптические аттенюаторы включаются в маршрут передачи сигнала для имитации наихудших условий в кабельной системе (с учетом оптических спецификаций оконечного оборудования). Стоимость такого тестового комплекта от 15 000 до 30 000 долларов (в случае портативного оборудования тестирования на объектах заказчика); наиболее дорогостоящи средства тестирования обратных потерь, OTDR и измерения BER.
На данном уровне тестирования система проверяется на надежность передачи сигналов между выбранными пунктами с заданным коэффициентом BER. Следует отметить, что проверка BER на высоких скоростях передачи данных может потребовать многочасовых измерений. Точность тестирования BER должна достигать уровня 10-10 или 10-11 либо того уровня, на который комплект тестов BER рассчитан. Если кабельная система и оконечное волоконно-оптическое оборудование функционируют корректно, то тестирование BER позволит добиться заданной точности. В основном доступное для тестирования BER оборудование соответствует уровню 10-9, а более дорогие модули BER позволяют проводить его с точностью 10-10 или 10-11.
Скорость передачи данных в тестах BER часто бывает кратна скорости передачи в волоконно-оптической линии. Например, цена тестового комплекта для проверки волоконно-оптической линии, предназначенной для передачи данных со скоростью OC-12 (около 622 Мбит/с), весьма высока. В этом случае можно использовать более дешевый тестовый комплект, рассчитанный на скорости передачи данных DS-3 (около 45 Мбит/с) или STS-3 (около 52 Мбит/с). Такие тесты позволят очень точно измерить коэффициент BER для маршрута передачи данных со скоростями 622 Мбит/с или выше. Поток данных OC-12, как правило, состоит из нескольких сигналов DS-3 или E-3. Тестовые комплекты BER для DS-3 или E-3 стоят значительно меньше модуля для OC-12. (Подробнее об этом рассказывается во врезке "Советы по тестированию".)
ДРУГИЕ РЕСУРСЫ
В нашей статье рассматривались основные проблемы тестирования кабельной системы; за более подробной информацией следует обращаться к другим источникам. В частности, методам тестирования волоконно-оптических сетей посвящены стандарты Ассоциации промышленности средств связи/Ассоциации изготовителей электронного оборудования (TIA/EIA). Данные стандарты довольно подробны и описывают все известные параметры, спецификации, а также конкретные ситуации тестирования волоконно-оптического кабеля.Стандарты тестирования волоконной оптики могут быть разбиты на три основные группы: "Процедуры тестирования систем на основе волоконно-оптического кабеля" (Optical Fiber Systems Test Procedures, OFSTP), "Процедуры тестирования волоконной оптики" (Fiber Optic Test Procedures, FOTP) и "Спецификации инструментов тестирования волоконной оптики" (Specifications for Fiber Optic Testing Tools). Базовый документ серии OFSTP, TIA/EIA-526-92, перечисляет процедуры тестирования систем в соответствии с номерами тестов. В базовом документе серии FOTP, TIA/ EIA-455-91, содержится примерно 190 отдельных тестов для волоконно-оптической кабельной системы (для различных требований и ситуаций). Чтобы приобрести копии данных стандартов или проверить даты принятия конкретного стандарта, надо связаться с организацией Global Engineering Documents по тел. (800) 854-7179 или посетить ее узел Web по адресу: http://global.his.com/ (необходимую информацию можно найти там с помощью поиска по ключевым словам "fiber optics").
Джеймс Джонс - главный инженер по коммуникациям отделения Westec Division компании World Access. Кроме того, он является независимым автором и консультантом. С ним можно связаться через Internet по адресу: jojones@primenet.com.
Тестирование - ключ к надежному функционированию высокопроизводительных оптических сетей
Советы по тестированию
Тестирование инсталлированного волоконно-оптического кабеля имеет крайне важное значение для обеспечения его адекватной работы. Ниже перечислены некоторые моменты, на которые следует обратить внимание, приступая к тестированию.
Lan Magazine/Журнал сетевых решений, (Февраль 1998, том 4, номер 2)