13
3. Predvidevanje delovanja optične trase
Ogromno dejavnikov ima vpliv na staranje in časovno slabšanje optičnih omrežij. V tem delu zaključne naloge podrobneje opisujem te dejavnike. Pri postavitvi optične trase se operaterji najbolj osredotočijo na njeno življenjsko dobo oziroma koliko časa bo trasa delovala. Iz tega najlažje dobijo občutek o donosnosti naložbe.
3.1 Površinske napake
Steklena optična vlakna, ki jih proizvajalci prodajajo na veliko, imajo mnogo površinskih napak. Tukaj gre za majhne mikro-razpoke, ki s časom zmanjšajo dolgoživost materiala. Te razpoke v začetku ne povzročajo velikih problemov, vendar se zaradi zunanjih vplivov, kot so temperatura in pritisk, v začetku razširjajo počasneje, nato pa vse hitreje, dokler vlakno ne neha delovati. Takšni problemi se preprečujejo s testiranjem vlakna v tovarni, kjer vlakno napnejo tako, da se uničijo vsa vlakna, ki imajo večje površinske napake. Tako do uporabnika pride vlakno, ki ima samo majhne oziroma zanemarljive površinske napake. Naslednji korak je preprečevanje novih napak pri transportu in vgradnji. To pomeni, da mora biti primarna zaščita zelo odporna in mora zagotavljati dobro zaščito na zunanje dejavnike. Dodatno nevarnost predstavljajo poškodbe vrvice pri vgradnji. Pri nameščanju optičnega kabla najbolj pogosto uporabljamo tri tehnike: vlečenje, potiskanje in pihanje. Edini izmed teh, ki povzroča nezaželene poškodbe vlakna, je vlečenje. Potiskanje ne povzroča poškodb, saj steklo za razliko od kovine, ni zelo občutljivo na stiskanje, kar pomeni, da blaga kompresija v procesu potiskanja ne predstavlja problema za vlakno. Tudi teren, kjer se vlakno nahaja, ima lahko ogromen vpliv na življenjsko dobo optičnega vlakna. Velika sprememba okoliških temperatur lahko pospeši degradacijo vlakna [13].
Če optični kabel ni pravilno skladiščen ali je poškodovan, proizvajalci opozarjajo na vdor vode v kabel, čemur se je potrebno izogniti. Voda v optičnem kablu ni nujno
14
problem, ker so plastične plasti okoli vlakna precej vodoodporne, če pa, voda pride do delilnikov, lahko povzroči težave, ker imajo tam vlakna samo primarno zaščito. Takrat molekule vode lahko prodrejo v mikro-razpoke ter jih povečajo na račun korozije, ki je reakcija kremena v vlaknu z vodo, kar povzroči razpad Si-O-Si vezi prikazanih na sliki 13. [14,15].
Slika 13 – Amorfna struktura steklastega silicijevega dioksida (SiO2) iz katere je razvidno, da v njej ni daljše translacijske simetrije; v strukturi prevladujejo lokalno urejeni tetraedri kisikovih atomov (O), razporejenih okoli silicijevega atoma (Si )
3.2 Porazdel itev napak v optičnem vlaknu
Pri izračunu življenjske dobe optičnega omrežja, morajo načrtovalci vzeti v obzir porazdelitev napak v vlaknu, ki jih opišemo z Weibull-ovo porazdelitvijo. Splošna enačba Weibull-ove funkcije verjetnostne gostote je podana v enačbi 1:
𝑓(𝑡) =
𝛽 parameter za merilo in γ parameter za lokacijo. Vrednosti za Weibull-ove parametre dobimo eksperimentalno, tako da testiramo natezno moč posameznega vlakna. Končne vrednosti parametrov se dobijo iz linearne enačbe, ki se uporablja za prilagajanje eksperimentalnih rezultatov. Zelo pogosto se za γ izbere najnižja vrednost jakosti, ki jo dobimo iz eksperimentov. V tem primeru v enačbi ostaneta samo dva parametra. ČeEnačba 1
15
predpostavimo, da je vrednost parametra za obliko β že znana, pomeni, da rabimo predpostaviti samo merilni parameter, kar nam omogoča analizo za manjše podatkovne nize [17]. Slika 14 prikazuje vpliv različnih vrednosti Weibull-ovega naklona na obliko grafa funkcije.
Slika 14 – vpliv parametra za obliko na graf funkcije
Iz slike je razvidno, da ima lahko porazdelitev zelo različne oblike glede na vrednosti β ob konstantnem γ. Spreminjanje vrednosti parametra za merilo η, dokler sta ostala dva parametra konstantna, pa ima podoben vpliv na obliko funkcije kot spreminjanje
16
abscisne lestvice [18]. To lahko preberemo iz grafa na sliki 15.
Slika 15 – vpliv parametra za merilo na graf funkcije
Parameter za obliko β ima tudi vpliv na Weibull-ovo intenzivnost okvar. Weibull-ovim porazdelitvam, ki imajo β<1, se intenzivnost okvar zmanjšuje z časom. Če za porazdelitev drži β=1, pomeni da je intenzivnost okvar konstantna. V primeru da je β>1 pa imamo naraščajočo intenzivnost okvar. Če ima prva sub populacija vrednost β<1, druga vrednost enaka enki, ter tretja vrednost oblikovnega parametra večjo kot ena, imamo graf intenzivnosti okvar podoben krivulji kopalne kadi. Slika 16 prikazuje graf
17 takega sistema [19].
Slika 16 – krivulja kopalne kadi
Rdeči del grafa predstavlja začetno življenje sistema. Takrat se intenzivnost okvar zmanjšuje. Zeleni del grafa je čas uporabljanja, kjer je modri del grafakonec življenjske dobe sistema, ko intenzivnost okvar narašča.
3.3 Popolna odpoved optičnega vlakna
Raziskave glavnih razlogov za odpoved optične trase prikazujejo zanimive značilne podatke, ki jih bom prikazal v nadaljevanju. Slika 17 prikazuje porazdelitev najbolj pogostih vzrokov za prekinitev prenosa skozi vlakno.
18
Slika 17 – Tortni diagram vzrokov za izpade
Kot vidimo, izkopi dominirajo v testni množici. V praksi imajo tudi nepravilni posegi delavcev dokaj visoko število povzročenih napak. Poleg teh so ostali vzroki izpadov zunanji dejavniki. Trase so dokaj odporne na višjo silo vendar popolna zanesljivost ni mogoča [20].
Starejša vlakna so s časom imela vedno večje izgube zaradi vodika. Vodik preide v vlakno iz atmosfere ali iz drugih materialov kabla ter reagira s kisikom iz defektnega dela stekla. Izgubam zaradi takšne reakcije se reče hidroksidne (angl. hydroxide – OH) izgube in niso reverzibilne. Največ težav povzročajo pri valovnih dolžinah od 1300 nm do 1400 nm. Novejše vlakno ITU G.652 C/D je rešilo težave z vodikom, hkrati pa ima tudi nižje vstavitveno slabljenje [21].
3.4 Mehanična odpornost optičnega vlakna
Mehanična odpornost stekla se lahko na splošno razdeli v dve kategoriji:
- zunanja (pomanjkljivosti tekom proizvajalnega procesa, ravnanje tekom vgradnje)
Izkopi
Ekst. TempVodna paraLedDrugoNeznano
VZROKI IZPADOV
19
- notranja (jakost samega stekla brez upoštevanja večjih defektov).
Slika 18 prikazuje stres v odvisnosti od časa za določeno optično vlakno.
Slika 18 – Vzdržljivost mehaničnih napak
Kot vidimo na sliki 19 je zaželena čim višja stopnja vzdržljivosti. Ker se model s slike dokaj ponavlja in je zelo generalen, mora biti vsako vlakno narejeno po standardu IEC TR 62048, ki opredeljuje mehanske lastnosti optičnih kablov. Pri spajanju vlakna ima nezaščiteno vlakno veliko nižjo trdnost kot ne-oguljeno. Zaradi tega vsak spoj na trasi lahko prinaša nevšečnosti ter so precizni in pazljivi inštalaterji zelo zaželeni. Seveda, vlakna ne pustimo oguljenega temveč zaščitenega s spajalnim rokavom [22].
3.5 Proračun moči na povezavi
Pri planiranju optične povezave je nujno dobiti proračun moči, ki preprečuje, da izgube v prenosnem mediju presegajo specifikacije optičnega vmesnika. Gre za enostavno tabeliranje vseh izgub v vlaknu, ki jih dobimo iz narejenih meritev. Če je seštevek izgub večji kot specifikacije optičnega vmesnika dovolijo, optična povezava ne bo pravilno delovala oziroma bo zaznavala visoko število napak. Izgube so tudi odvisne od valovne
20
dolžine, na kateri bo omrežje delovalo. V nadaljevanju sledi razlaga posameznih vrstic tabele proračuna moči:
1. Prva vrstica predstavlja izgube zaradi samih lastnosti vlakna. Njeno vrednost dobimo kot produkt slabljenja in dolžine vlakna, drugače pa v tabelo napišemo izmerjeno vrednost slabljenja.
2. V tej vrstici se nahajajo izgube na varjenih spojih (angl. splice loss). Dobre izgube pri spajanju so pod 0,1 dB.
3. Izgube na priključku vsebujejo vse izgube nastale pri priključkih na povezavi.
Skupne priključne izgube so pod 0,5 dB za dobre optične povezovalne elemente.
4. Ostale vlakenske izgube predstavljajo izgube zaradi napačnega zvijanja vlakna in podobno.
5. Skupne izgube na vlaknu predstavljajo seštevek prvih štirih vrstic.
6. Če se je uporabljalo multipleksiranje, vrstica šest predstavlja vstavitvene izgube delilnika. Ti podatki so na voljo od proizvajalca.
7. Če se uporabljajo moduli za kompenziranje izgub razpršitve (angl. dispersion compensation module – DCM), se vstavitvene izgube vnašajo v to vrstico.
8. V primeru da so na povezavi optični ojačevalniki, se seštevek njihovih ojačenj vnese v to vrstico kot negativna vrednost v dB.
9. Ostale komponente, ki prispevajo k izgubam na povezavi.
10. Skupne izgube povezave so seštevek vrstic 5 do 9.
11. Izgube, ki jih povzroča barvna razpršitev so v vrstici 11. Proizvajalci specificirajo 1 dB do 2 dB za barvno razpršitev optičnega vmesnika.
12. Če imamo hitrost prenosa več kot 10 Gbit/s v to vrstico vnašamo izgube polarizacijske razpršitve (angl. polarization mode dispersion – PMD), ki so večinoma določene od strani proizvajalca in so okoli 1 dB.
13. V trinajsto vrstico vnašamo izgube PDL-ja (angl – polarization dependent loss).
Vrednost dobimo tako da seštejemo PDL za vsako komponento.
14. Skupne nelinearne izgube se vnašajo v to vrstico
15. Razmerje izumrtja zaradi nepravilnosti v oddajniku se zgodi kadar ničelni bit ima neko vrednost optične moči, ki ni nula.
16. Seštevek vrstic 10 do 15, vsebuje tako izgube kot dobitke. Te vrednosti se ne more dobiti preko meritev.
17. Maksimalna oddajna moč oddajnika, ki jo definira proizvajalec.
18. Minimalna oddajna moč oddajnika. Definira jo proizvajalec.
21
19. V to vrstico vnašamo vrednost moči, ki preobremeni sprejemnik. Optični signal, ki pride do sprejemnika, mora vedno imeti manjšo vrednost od te.
20. Občutljivost sprejemnika, podana s strani proizvajalca.
21. Ta vrstica predstavlja minimalni optični proračun vmesnika in je enaka razliki med vrsticama 18 in 20
22. V to vrstico vnašamo minimalno izmerljivo optično moč na sprejemniku. Enaka je razliki med vrsticama 18 in 10. Vrednost mora biti med minimalno in maksimalno sprejemne močjo, v nasprotnem imamo problem pri proračunu ali problem v optični trasi.
23. Ta vrstica predstavlja maksimalno izmerljivo optično moč na sprejemniku.
Dobimo jo kot razliko med vrsticama 17 in 10. Vrednost mora biti manjša kot vrednost v vrstici 19.
24. Preostala marža od začetka delovanja (angl. beginning of life – BoL). Vrednost se dobi kot razlika med vrsticama 21 in 16 in predstavlja optični proračun po upoštevanju vseh izgub. Vrednost večja kot 0 je varnostna meja in pokaže vrednost odpornosti omrežja. Vrednost manjša kot 0 pomeni, da so specifikacije proizvajalca napačne ter da trasa mogoče ne bo delovala. Tukaj se predvidi zaloga moči 0,5 dB, ki se jo uporabi v vrstici 27.
25. Staranje sistema označuje povečevanje izgub zaradi staranja. Vse komponente omrežja razen vlakna se zamenjajo takoj, ko prenehajo delovati. Tipične vrednosti uporabljene za staranje vlakna so 0.005 dB/km na 25 let.
26. Marža za popravilo kabla predstavlja ocenjene izgube nastale zaradi kablov za popravilo, ki so bili umeščeni iz različnih razlogov.
27. Marža, ki ostane ob koncu življenjske dobe vlakna (angl. end of life – EoL) se dobi kot V24-V25-V26. Vrednost večja od nule je spet varnostna meja, kjer vrednost manjša kot nula pomeni, da sistem mogoče ne bo pravilno deloval v fazi EoL. Če vse deluje tako, kot je planirano, zaloga moči 0,5 dB iz vrstice 24 zagotavlja delovanje veze tudi po koncu življenjske dobe. [23] Slika 20 prikazuje del takšne tabele.
22 št. vrstice proračun povezave za vlakno št.
_______
enota vrednost meritve
narejene pri
4 Ostale vlakenske izgube dB
5 Skupne izgube na vlaknu dB
6 Vstavitvene izgube multipleksiranja dB 7 Vstavitvene izgube DCM modulov dB
8 Ojačenja ojačevalnikov dB
9 Ostale komponente dB
10 Izgube povezave dB
11 Barvna razpršitev dB
12 Polarizacijska razpršitev dB
13 Izgube PDL-ja dB
14 Skupne nelinearne izgube dB
15 Razmerje izumrtja dB
16 Seštevek vrstic 10 do 15 dB
17 Maks. oddajna moč oddajnika dBm 18 Min. oddajna moč oddajnika dBm 19 Maks. dovoljena moč na sprejemniku dBm 20 Občutljivost sprejemnika dBm 21 Min. optični proračun vmesnika dB 22 Min. izmerljiva optična moč na
sprejemniku
dBm
23 Maks. izmerljiva optična moč na sprejemniku
dBm
24 Preostala marža začetka življenja dB
25 Staranje sistema dB
26 Popravki kablov dB
27 Preostala marža konca življenja dB Tabela 2 – Proračun moči veze
23
4. Meritve
4.1 Optična trasa Gorjansko -Slap
V sklopu diplomskega dela sem primerjal spremembo zmogljivosti dveh optičnih omrežij. Prvo bom opisal optično traso Gorjansko-Slap. Dostop do te trase sem dobil preko podjetja Vahta d.o.o. Prvotna meritev je bila narejena leta 2016, ko se je trasa prvič začela uporabljati. Nova meritev je bila narejena leta 2020. Obe meritvi sta narejeni s Fluke Networks OTDR-jem. Ta optična trasa je precej nova in zato razlika med meritvami zelo majhna, vendar opazna. Slika 19 prikazuje graf slabljenja optičnega vlakna iz leta 2016 pri valovni dolžini 1310 nm.
Slika 19 – Graf slabljenja optičnega vlakna Gorjansko-Slap iz leta 2016 1310 nm
Kot lahko vidimo iz grafa, je ta optična trasa narejena iz več različnih, krajših optičnih povezav.
OTDR je zaznal nekoliko večje slabljenje na prehodih iz enega vlakna v drugo, kar je
24
pričakovano, saj noben povezovalni element ni narejen perfektno. Skozi leta uporabe se slabljenje v optičnem vlaknu in na povezovalnem elementu začne povečevati. Iz oblike špice na grafu lahko domnevamo možen vzrok večjega slabljenja. Pri drugem kilometru je začetno vlakno zavarjeno na drugo vlakno, kar je lahko možen vzrok slabljenja. Takoj po tem, pri tretjem kilometru, vlakno preide do omare na lokaciji, kar je lahko možen vzrok nihanja v slabljenju. Proti koncu, na 24-tem kilometru, je OTDR zaznal še eno špico. Vzrok te špice je bil slab povezovalni element. Element je bil po meritvah zamenjan in trasa je nato funkcionirala normalno, kot bi morala. Vsa domnevanja so bila potrjena s strani delavcev, ki so takrat delali na vzpostavitvi trase. Slika 20 prikazuje graf slabljenja optičnega vlakna iz leta 2020 pri valovni dolžini 1310 nm.
Slika 20 – Graf slabljenja optičnega vlakna Gorjansko-Slap iz leta 2020 1310 nm
Tokrat je graf narejen v drugačnemu merilu, ker je bilo vlakno naprej povezano na drugo vlakno zaradi testiranja optičnih modulov, vendar je bilo zaradi nepričakovanih okoliščin drugo vlakno neuporabno. Prva polovica grafa je meritev za isto traso, ki smo jo merili leta 2016. OTDR je spet zaznal začetno slabljenje zaradi prehoda v drugo vlakno. Vidimo, da je slabljenje za malenkost večje, kar je normalno in pričakovano. Seveda, vlakno je še vedno uporabno in ne
25
povzroča nobenih problemov. Slika 21 prikazuje graf slabljenja optične trase Gorjansko slap iz leta 2016 za valovno dolžino 1550 nm.
Slika 21 – Graf slabljenja optičnega vlakna Gorjansko-Slap iz leta 2016 1550 nm
Kot vidimo je na mestih, kjer se nahajajo omare in stikalni moduli (angl. patch panel), slabljenje malce večje kot pri valovni dolžini 1310 nm. To je zaradi zvijanja vlakna, na kar je svetlobni signal valovne dolžine 1550 nm bolj občutljiv kot pa pri 1310 nm vendar vidimo, da na mestih zvara signal z valovno dolžino 1550 nm nima dosti težav. Lahko vidimo tudi, da motnje hitreje nastanejo in tudi hitreje izginjajo, kar se opazi kot bolj vertikalne špice na grafu. Skupno slabljenje trase je pri 1550 nm manjše kot pri 1310 nm, kar izhaja iz splošnih lastnosti optičnega vlakna. Slika 22 prikazuje graf slabljenja optičnega vlakna Gorjansko-Slap iz leta 2020 za
26 valovno dolžino 1550 nm.
Slika 22 – Graf slabljenja optičnega vlakna Gorjansko-Slap iz leta 2020 1550 nm
Vidimo, da se je slabljenje tudi pri tej valovni dolžini povečalo, vendar ne tako očitno kot pri drugi valovni dolžini. Na polovici vlakna, 13. kilometer, je zaznana napaka, ki je ni bilo štiri leta nazaj. Morebitni vzrok napake je zvijanje kabla zaradi dodajanja novih vlaken v kanal. Ker je ta valovna dolžina bolj občutljiva na zvijanje, se je to prikazalo kot dodano slabljenje, vendar prenos podatkov po vlaknu še vedno poteka nemoteno. Dodatni možni razlog za nastanek napake je poškodba vlakna pri prvotnem postavljanju. Ko se kabli vlečejo, se zlahka poškodujejo na način, da so vlakna preobremenjena ter nastanejo majhne poškodbe. Te poškodbe prvotno ne povzročajo motenj, vendar se z leti lahko zvečajo ter začnejo odbijati svetlobo ter na ta način povzročajo motnje. Tabela 2 prikazuje točno slabljenje v dB-jih za posamezno zaznano napako.
27
2016 2020
Točka napake Slabljenje pri 1310 nm
Slabljenje pri 1550 nm
Točka napake Slabljenje pri 1310 nm
Tabela 3 – Slabljenje za posamezno zaznano napako in ORL
Iz tabele 2 lahko vidimo različne zaznane napake na optični trasi. Vidi se, da so meritve ob postavitvi vlakna zaznale veliko manj motenj in slabljenja. Različne motnje so zaradi različnih razlogov. Pri točkah, kjer se nahajajo razcepniki (angl. splitter), ekstremne temperature lahko vplivajo na učinkovitost vlakna. Razcepniki morajo namreč biti dostopni in tudi vlakno ima samo primarno zaščito, kar pomeni, da je vlakno tako bolj izpostavljeno [24]. Problemi z poslabšanjem optične zveze v razcepnikih se odpravljajo tako, da se poškodovani deli na novo razcepijo. To seveda zahteva dodatne ure dela, vendar je to tehnično enostavno rešljiv problem.
V primeru, da je vlakno poškodovano pri postavitvi, se mora del, ki povzroča probleme, zamenjati v celoti.
4.2 Optična trasa UP Koper
Druge meritve, do katerih sem dobil dostop od podjetja Projekt IP d.o.o., so narejene na Univerzi na Primorskem v Kopru. Čeprav je to najmlajša javna univerza v Sloveniji, je že od samega začetka svojega delovanja imela na določenih točkah izvedeno optično omrežje.
Leta 2002 je imela postavljeno optično omrežje in od takrat se uporablja brez daljših prekinitev. Pri postavitvi omrežja so bile narejene meritve z neznanim OTDR-jem. Leta 2020 so bile meritve ponovljene in prikažejo zelo zanimive značilne informacije o poslabšanju optičnih povezav čez leta. Tako kot se optična vlakna z leti slabšajo, tudi optični moduli z leti naredijo več napak. To se zgodi zaradi degradacije laserjev, povod katere je nekonsistentna temperatura in spreminjajoč tok. Slika 22 prikazuje rezultate meritev, ki so bile narejene leta 2002.
28
Slika 23 – Meritve UP Koper 2002
Žal so bili tehnologija in orodja uporabljena pri takratnih meritvah malce starejši, zato rezultati niso najbolj razvidni. Vseeno, iz slike 19 lahko preberemo, da so izgube 17,624 dB na kilometer. Na grafu vidimo, da je optična trasa zelo lepo postavljena. Leva špica je nastala zaradi povezovalnega elementa na izhodu iz OTDR-ja, nato pride signal v začetno vlakno (angl. launch cable). Za začetnim vlaknom je povezovalni element na stikalnemu elementu (srednja špica). Takrat se začne merjeno vlakno. Pri markerju, ob 104-tem metru, se vlakno poveže na drugo optično omrežje. Po tem pa normalno pride do konca trase. SFP -ji, ki so bili takrat vgrajeni, so ustrezali dolžini optične trase in je vse delovalo kot je bilo pričakovano.
Slika 24 prikazuje merilni rezultat iz leta 2020. Meritve so narejene s Fluke Optics
OTDR-29
jem. Izvedene so, ker se je zaznalo veliko zgubljenih paketov pri podatkovnem prenosu.
Slika 24 – Merilni rezultat UP Koper 2020
Meritve so prinesle zelo zanimive vendar značilne informacije. Pri 157-tem metru je OTDR zaznal povečano slabljenje. Ker dostop do stikalnega elementa pri 160 metru ni bil mogoč, je bila začasna rešitev SFP z večjo izhodno močjo. Rešitev ni idealna, vendar je bila hitra, in enostavna z minimalnim časom izpada zveze. Ko je bil dostop do stikalnega elementa omogočen, se je ugotovilo, da je bil povezovalni element umazan. Izkazalo se je, da je v času prenove sistemske sobe prah prišel med povezovalne elemente ter je nadalje motil delovanje optične povezave. Prah je prišel med spojni tulki (angl. ferrule), ker se je v stikalni omari slabe kakovosti odvil povezovalni element. Bil je to optični povezovalni element z vijakom in tulko (angl. ferrule connector – FC). Ko se je povezovalni element očistil in
Meritve so prinesle zelo zanimive vendar značilne informacije. Pri 157-tem metru je OTDR zaznal povečano slabljenje. Ker dostop do stikalnega elementa pri 160 metru ni bil mogoč, je bila začasna rešitev SFP z večjo izhodno močjo. Rešitev ni idealna, vendar je bila hitra, in enostavna z minimalnim časom izpada zveze. Ko je bil dostop do stikalnega elementa omogočen, se je ugotovilo, da je bil povezovalni element umazan. Izkazalo se je, da je v času prenove sistemske sobe prah prišel med povezovalne elemente ter je nadalje motil delovanje optične povezave. Prah je prišel med spojni tulki (angl. ferrule), ker se je v stikalni omari slabe kakovosti odvil povezovalni element. Bil je to optični povezovalni element z vijakom in tulko (angl. ferrule connector – FC). Ko se je povezovalni element očistil in