Zátěžové testy GPON

Autoři článku: Jan Brouček, Martin Novotný, PROFiber Networking CZ s.r.o.

Chystáte se nasadit přenosovou technologii na pasivní optickou síť a chcete mít jistotu, že budete schopni nabízet služby v odpovídající kvalitě? Nebo již GPON síť provozujete a potřebujete zjistit příčinu nestabilního chování technologie, objevit skryté vady optické distribuční sítě anebo ověřit, že byly během výstavby splněny parametry požadované při zadání? Případně si chcete rozšířit obzory o problematiku ověřování parametrů pasivních optických sítí? Tak právě pro vás je následující článek.

GPON je označení standardu ITU-T G.984 definující technologické řešení přístupových telekomunikačních sítí používající optické vlákno jako přenosové médium a síťovou topologii P2MP (Poin-to-Multipoint), která využívá odbočnice. Díky tomu dosahuje přenosových rychlostí 2,5 Gbit/s v sestupném a 1,25 Gbit/s ve vzestupném směru při nutnosti zapojení aktivních prvků pouze v centrální stanici a účastníka.

zdroj EXFO

Při ověřování GPON technologie je tedy nutné sledovat dvě roviny a to fyzikální parametry optické distribuční sítě a kvalitativní parametry přenosového systému (aktivních prvků). V tomto článku se zaměříme na tu první, ale to neznamená, že aktivní prvky budeme úplně přehlížet.

Pro hlubší vysvětlování je vhodné nejdříve shrnout důležitou terminologii a parametry přenosové technologie GPON:

ODN – Optical Distribution Network

Jedná se o označení optickou distribuční sítě bez zapojených aktivní prvků. Je tedy ohraničena konektory. Obsahuje optická vlákna, svary, konektorové spoje, splittery a další pasivní součástky.

PON – Passive Optical Network

Pasivní optická síť je technologie používaná v přístupových sítích a vyznačuje se připojením více zákazníků na jeden port distribučního zařízení OLT. Organizace IEEE definoval takzvanou EPON (Ethernet PON) a ITU-T zase GPON (Gigabit-capable PON).

P2MP – topologie Point to Multipoint

Síťová topologie, kdy je k jednomu OLT připojeno více koncových stanic ONT

CPE – Customer Premise Equipment

Účastnické zařízení (umístěné u zákazníka, například router, modem, atd.)

OLT - Optical Link Terminal

Optické linkové zakončení, umístěné na straně poskytovatele, které zároveň řídí veškerou komunikaci na přístupové síti

ONU – Optical Network Unit

Optická síťová jednotka, prvek ukončující pasivní optickou síť a zajišťující přechod na jinou přenosovou technologii

ONT - Optical Network Terminal

Optické síťové zakončení, které je vyhrazeno pouze jednomu zákazníkovi - „optické CPE“

Maximální logický dosah

Teoretická maximální vzdálenost mezi OLT a ONU nehledě na limitace ODN (útlumové poměry).

Maximální fyzický dosah

Jedná se o maximální vzdálenost, na kterou je možné dosvítit skrz optickou trasu. Tato hodnota závisí na útlumových poměrech, časovém zpoždění a zvolené třídě GPON.

Rozdílová vzdálenost koncových jednotek

Maximální možný rozdíl vzdáleností nejbližšího a nejvzdálenějšího ONU od OLT.

Tabulka vytvořená dle standardů ITU-T G.982, ITU-T G.984.1 a ITU-T G.984.7.

*) platné dle ITU-T G.984.7

Maximální rozbočovací poměr

Maximální počet ONU připojených na jeden port OLT. Pro GPON platí minimálně 1:64, ale je možné až 1:256 podle třídy GPON a specifikací výrobce.

Provozní vlnové délky

Vlnové délky, které technologie používá pro přenos dat. GPON používá pro směr k zákazníkovi (downstream) vlnové délky 1480 – 1500 nm a pro směr od zákazníka (upstream) 1260 – 1360 nm.

ORL a odrazivost

Na nehomogenitách sítě a na konektorových spojení či jiných rozhraních dochází k odrazům části signálu. Vícenásobné a silné odrazy degradují přenos. Parametr ORL (optical return loss) je útlum odrazu. Platí, že čím je hodnota ORL vyšší, tím lépe pro přenosovou cestu. Pro GPON platí, že by měl být ORL>32 dB. Odrazivost R (reflektance) udává míru odražené energie od konektorového spojení nebo jiné součástky. Platí, že čím je hodnota R nižší, tím lépe pro přenosovou cestu.

Minimální a maximální překlenutelný útlum

Tyto dva parametry určují minimální a maximální hodnotu útlumu trasy. Jsou odvozeny od výkonu vysílače a citlivosti fotodetektorů na straně přijímače. Upstream a downstream má předepsané rozmezí vložného útlumu, ve kterém pracuje.

Výběr vhodné technologie a výrobce

Výrobců GPON technologie je nepřeberné množství a liší se od sebe kvalitou provedení, parametry a k tomu navázanou cenou. To ovšem neznamená, že „levné“ řešení je hned zákonitě špatné. Každá přístupová síť je unikátní a výjimkou nejsou ani pasivní optické sítě. Pro každou ODN síť může být vhodné jiné GPON řešení. Na začátku projektu bychom si měli odpovědět na několik otázek, které nám pomohou s výběrem vhodného výrobce:

- Kolik zákazníků na GPON technologii připojíme celkem? A v jakém geografickém rozložení?

- Jaký počet CPE chceme připojit na jeden port OLT? Jaký tedy bude náš splittrovací poměr?

- Jaké služby chceme na technologii provozovat? Jaké tarify plánujeme nabízet?

- Na základě výše zmíněných otázek je třeba si říci, jak velkou konektivitu potřebujeme připojit do uplink portu. Stačí nám několik 1GBit/s anebo potřebujeme 10GBit/s?

- Jak velký útlum potřebujeme překlenout? Jak kvalitní komponenty použijeme a v jaké množství a tudíž jakou třídu PON zvolíme?

- Máme reference na některého z výrobců?

- Kolik můžeme do technologie zainvestovat? Použijeme prvky pouze jednoho výrobce nebo zvolíme kvalitní OLT a levnější ONT?

Jakmile budeme mít vybraného výrobce je vhodné před samotným nasazením, ideálně i před výstavbou, provést sérii testů abychom si ověřili, že výrobce dodržuje normu a že hodnoty v katalogových listech odpovídají skutečnosti. Můžeme provést zátěžové testy aktivních prvků a dále ověřit jejich chování při různých stavech optické distribuční sítě. Doporučená měření:

Dynamický rozsah

Prvním testem si ověříme jaký je maximální překlenutelný útlum námi zvolené technologie. Mezi aktivní prvky připojíme měřicí útlumový článek umožňující nastavit hodnotu vložného útlumu (FVA – Fiber Variable Attenuator). Do uplinkového portu OLT a LAN portu ONT připojíme dva ethernet testery (například EXFO NetBlazer – více informací viz web: ZDE) schopné mezi sebou generovat reálný provoz a zaznamenávat hodnoty kvalitativních parametrů. Během samotného měření budeme postupně navyšovat hodnotu útlumu na útlumovém článku a sledovat, při jaké hodnotě dojde k chybovosti provozu a při jaké k rozvázání samotného spojení.

Výkon OLT a spektrum

Dále si ověříme, jakým výkonem OLT vysílá do sítě, jestli je stabilní a ověříme vlnovou délku. Měřit tedy budeme přímo na portu OLT a to nejprve měřidlem optického výkon (ZDE) a poté spektrálním analyzátorem (ZDE).

Výkon ONT

Pokud zapojíme měřič výkonu přímo do ONT, tak se nedoměříme žádných směrodatných hodnot, neboť laser ONT svítí pouze tehdy, pokud má přidělený časový interval od OLT. K tomu ONT potřebuje spojení s OLT. Navíc laser pracuje v burst režimu, takže potřebujeme použít přístroj, který je schopen změřit výkon v krátkém časovém intervalu (cca 400 ns). Proto k měření výkonu ONT použijeme rychlý fotodektor, který je zapojen v průchozím režimu. Tato kategorie přístrojů je označována jako PON Power Meter – PPM (ZDE). Opět použijeme útlumový článek – FVA (ZDE), postupně budeme zvyšovat vložný útlum a budeme sledovat, kdy dojde k rozvázání spojení.

Rozdílová vzdálenost koncových jednotek

Dalším důležitým parametrem je maximální rozdílová vzdálenost mezi jednotlivými ONT. K OLT připojíme přes splitter dvě ONT, kde u jednoho budeme moci navyšovat vzdálenost vkládáním různě dlouhých vláken a opět použijeme pár ethernet testerů (ZDE). Budeme pozorovat, kdy dojde ke zvýšení chybovosti a případnému rozvázání spojení.

ORL a odrazivost

Během tohoto testu si ověříme citlivost zvolené technologie na odrazivost a ORL. K OLT připojíme ONT a to přes splitter 1:2 a druhý port splitteru zapojíme přes útlumový článek – FVA (ZDE) k odrazce (například koncovka SC/PC zakončena do vzduchu). Útlumový článek nastavíme na maximální útlum a poté budeme postupně snižovat jeho hodnotu, což bude odpovídat snižováním zatlumení odražené energie. Můžeme opět použít pár ethernet testerů (ZDE) a sledovat například narůstající bitovou chybovost.

Akceptační testy optické distribuční sítě

Na základě přenosových parametrů požadovaných výrobcem GPON víme, jaké parametry by měla splňovat ODN. Pokud ale chceme mít jistotu, že instalace optické trasy práce byly provedeny v pořádku, tak je zapotřebí provést akceptační testy (přejímková měření), které nám pomohou objevit případné skryté vady.

Měření reflektometrickou metodou – OTDR

Reflektometrem zmapujeme celou distribuční síť, nalezneme jednotlivé události, jejich vzdálenost o měřicího přístroje, útlum a případně i odrazivost, takže dokážeme objevit případné poruchy na trase. Pokud ale měříme PON síť, tak si musíme uvědomit nevýhodu, která přichází s používáním pasivních odbočnic. OTDR totiž pracuje s odraženým a zpětně rozptýleným výkonem a proto pokud bychom měřili trasu směrem od OLT (downstream), tak dostaneme použitelné hodnoty pouze pro trasu do prvního splitteru. Další události budou zkreslené, protože nevíme, na které z tras se nachází signál, který se vrací na detektor reflektometru. Z toho důvodu při použití OTDR měříme síť dvěma způsoby:

1. Měření po segmentech

Měříme jednotlivé segmenty mezi dvěma splittery. Z tohoto důvodu je výhodné zapojit splittery pomocí konektorů nikoliv svarů.

2. Měření celé linky ONT-OLT ve směru od zákazníka

OTDR připojíme do účastnické zásuvky a měříme parametry celé trasy až do OLT. Tím se vyvarujeme odrazů ze sousedních větví distribuční sítě. Pro proměření splitterů 1:64 a 1:128 potřebujeme přístroj s velkou dynamikou avšak zároveň i rychlou odezvou (krátkými mrtvými zónami). Měřit můžeme v klasickém režimu OTDR, nebo v automatickém režimu OTDR, nebo v inteligentním režimu iOLM (intelligent Optical Link Mapper), který šetří čas na měření a diagnsotiku jak začátečníkům, tak pokročilým. iOLM zvyšuje se kvalitu dokumentace a spolehlivost měření. Při výběru vhodného reflektometru Vám pomůže konfigurátor na stránce http://www.otdr-iolm.eu/.

Ukázka výstupu z OTDR – reflektogram:

Ukázka výstupu z iOLM:

Měření přímou metodou

Tato měření metodou vysílač-přijímač nám umožní změřit hodnotu vložného útlumu měřeného segmentu nebo celé trasy včetně splitterů. Pokročilejší soupravy dokáží změřit i její délku trasy a ORL (ve schématu označeno jako OLTS – Optical Loss Test Set – ZDE).

Aktivační testy – nasazení aktivních prvků na ODN

Jakmile ověříme parametry ODN, tak můžeme v klidu začít s připojováním aktivních prvků a provést závěrečné měření celého přenosového řetězce. Po připojení OLT do trasy provedeme ověření hodnot optického výkonu vysílaného do vlákna pomocí měřiče optického výkonu v jednotlivých bodech sítě a za jednotlivými splittery (za předpokladu, že jsou okonektorované) a nakonec výkon signálu downstream na účastnické zásuvce. Použít můžeme různá měřidla optického výkonu v různých bodech sítě, jak je naznačeno na schématu (informace o kapesním měřiči optického výkonu viz web – ZDE).

Poté připojíme ONT a provedeme jeho aktivaci v síti GPON. Pokud chceme znát konkrétní výkonové poměry downstream/upstream, tak můžeme mezi účastnickou zásuvku a zařízení ONT připojit PON Power Meter (ZDE). V případě, že chceme navíc zjistit skutečnou rezervu překlenutelného útlumu, připojíme mezi trasu a PPM měřicí útlumový článek FVA (ZDE), který nastavíme na nulovou hodnotu. Poté jí začneme zvyšovat, dokud nedojde k výpadku spojení. Takovéto podrobné měření nemusíme samozřejmě provádět u každého zákazníka.

Měření za provozu

Největším úskalím při testování „živých“ sítí je fakt, že ve vlákně GPON probíhá neustále aktivní komunikace. Při odpojení tedy dochází přerušení služby na měřeném segmentu. V případě odpojení OLT od ODN je síť bez signálu a můžeme provádět měření v obdobném rozsahu jako při akceptačních testech (OTDR, přímá metoda). Pokud měříme na živé síti a nechceme připravit o služby všechny zákazníky, musíme počítat, že do vlákna kontinuálně „svítí“ port OLT. Proto musíme používat přístroje, které umožňují takováto měření na živé síti. Máme dvě možnosti jak provádět takové měření:

1. Měření optického výkonu

- ověření úrovně optického signálu downstream/upstream (PON power metrem) nebo pouze downstream (bežným powermetrem), které je popsané v Aktivačních testech

2. Měření reflektometrem na nekonfliktní vlnové délce 1625 nebo 1650nm mimo přenosová okna GPON.

- Jedná se o podobné měření jako je popsané v akceptačních testech. Mezi trasu a OTDR se vloží filtr, který zablokuje provozní signál GPON a může být případně i zabudovaný v přístroji (ZDE).

A pokud se chcete dozvědět více…

…AKADEMIE VLÁKNOVÉ OPTIKY A OPTICKÝCH KOMUNIKACÍ®

FO-13: Měření pasivních optických sítí GPON, G-EPON – informace o kurzu naleznete ZDE