Расчет оптического бюджета

Важнейшим параметром волоконно-оптической линии связи является затухание сигнала. Именно затухание или, по-другому, потери оптической мощности сигнала является ключевым свойством ВОЛС, определяющим её работоспособность. Было бы прекрасно, если бы потерь не было вовсе, но, к сожалению, современные технологии передачи оптических сигналов по световодным волокнам от этого далеки. Тем не менее контролировать потери мощности в ВОЛС можно и нужно. Причины их возникновения:

• cобственные потери ОВ за счёт рэлеевского рассеяния и ИК-поглощения света,
• потери на сварных соединениях ОВ в линии,
• потери на разъёмных соединениях (коннекторах) в линии,
• потери на изгибах ОВ.

Более подробно обо всех причинах потерь читайте в статье про измерения на ВОЛС.

Понятие бюджета оптической линии

Оптический бюджет — это совокупность оптических потерь, которые предварительно учитываются в ВОЛС. Обычно такой подсчёт делается в двух случаях:

1. Проектируя будущую линию, руководствуемся приоритетом выбора оптимальной трассы прокладки и, подсчитав её длину, количество муфт и количество разъемных соединений, получаем величину потерь. Эта величина даёт понимание, какое каналообразующее активное оборудование необходимо использовать в дальнейшем для работы на этой линии.
2. Имея комплект активного приёмо-передающего оборудования, подсчитываем, какими интегральными потерями будет обладать будущая линия и будет ли работать с ней выбранное оборудование. В этом случае нахождение оптического бюджета носит проверочный характер. Если укладываемся в бюджет — хорошо, можно приступать к строительству. Если нет — вносим коррективы в проект (уменьшаем длину за счёт выбора другой трассы, выбираем более качественный кабель, уменьшаем количество муфт, разъемов). Частным случаем проверки оптического бюджета может быть организация канала связи по уже построенным ранее линиям. Например, если возникает задача соединить точки А и Б, между которыми в нашем распоряжении имеются волокна, проложенные разными путями, можем выбрать те из них, которые гарантированно будут обеспечивать работу нашей «активки».

Оптические потери исчисляются в децибелах (дБ). Напомним, что применительно к оптической мощности эти единицы определяются соотношением [1]:

где:
P — мощность характеризуемого сигнала, Вт.
P_o — мощность опорного сигнала, Вт.

Децибелы являются относительной величиной, характеризующей логарифмическое отношение двух уровней мощности. В случае с передачей сигнала в виде оптического излучения используют, как правило, отношение мощности на входе в линию к мощности на выходе из линии. Собственно, эта величина, записанная в дБ и является величиной оптических потерь.

Чтобы соотнести допустимые для оборудования потери с потерями в линии, необходимо использовать следующие простые формулы.

Для приёмо-передающего оборудования величина допустимых потерь рассчитывается по формуле [2]:

где:
А_доп — допустимые потери между источником и приёмником, дБ.
P_TX, дБм — мощность источника излучения, формирующего передаваемый сигнал. Эта величина указывается на паспорте передатчика (и, как правило, на корпусе изделия). Единицы дБм являются теми же самыми децибелами, но за величину мощности опорного сигнала  в этом случае всегда принимают 1 мВт. Эта запись упрощает подсчёт потерь (для нахождения величины ослабления сигнала достаточно просто складывать децибелы), но также даёт возможность узнать величину в милливаттах (поскольку мы знаем, что = 1 мВт). На практике этим вычислением по формулам никто не занимается, а используют таблицы соответствия, по которым можно пересчитать дБм в мВт.
P_RX, дБм — чувствительность приёмника излучения. Эта величина характеризует минимальный уровень мощности, который способен безошибочно детектировать фоточувствительный элемент приёмника.

Величину же потерь, которые есть в ВОЛС, т. е. оптический бюджет линии, можно в самом простом случае записать формулой [3]:

Довольно простая формула, в которой суммируем все предопределенные потери. Произведение километрического затухания на длину ОВ даёт потери в волокне; количество сварных соединений, умноженное на 0,05 дБ даёт потери на сварках и т. д. Эксплуатационный запас — это некоторая прибавка, которую закладываем в бюджет заранее, предваряя появления возможных дополнительных потерь (например, из-за деградации волокна, ухудшения коннекторов в результате многократной коммутации, из-за аварий на кабеле и пр.). Величина запаса оговаривается между заказчиком строительства и подрядной организацией, как правило, выбирается из диапазона от 3 до 6 дБ.

Если в линии должны появиться какие-либо иные оптические элементы (сплиттеры, фильтры и т. д.), номинальные значения их потерь также необходимо учитывать и внести в формулу подсчета оптического бюджета.

Зная величины допустимых для активного оборудования потерь и потерь, которые даст линия связи, проверяем выполнение следующего условия [4]:

Если условие [4] выполнено, ВОЛС можно смело вводить в эксплуатацию — сигнал будет успешно передаваться от передатчика к приёмнику. Разумеется, при условии соблюдения всех технологических требований при строительстве. К ним следует отнести и соблюдение правил прокладки кабеля, и выполнение инструкций по монтажу муфт и кроссов, и использование качественного сварочного оборудования и инструментов, и многое другое.

Обо всех этих важных моментах мы подробно рассказываем в рамках наших учебных курсов.

Надо добавить, что приведенный расчёт оптического бюджета является базовым и не содержит в себе многих частных случаев, с которыми можно столкнутся на практике. Например, в формуле потерь в линии [3] отсутствуют потери, которые вносят такие пассивные компоненты, как сплиттеры или оптические фильтры, а ведь и их используют довольно часто. Если применяем какие-то из них, необходимо дополнить формулу, учесть потери, которые будут вносить эти элементы. Величины потерь необходимо брать из спецификаций, прилагаемых к каждому подобному изделию.

Некоторым образом может и усложниться формула подсчета допустимых потерь [2]. Дело в том, что правильная работа приёмника сигнала может быть обусловлена не только его чувствительностью, но и максимально допустимой вводимой мощностью. При превышении определенного уровня мощности принимаемого сигнала, прописанного в паспорте изделия, есть угроза повреждения фоточувствительного элемента. Поэтому необходимо учитывать и этот момент, и условие [4] превращается в следующее условие [5]:

где потери A_{доп min} посчитаны для значения максимально допустимой мощности, а A_{доп max} — для значения чувствительности приёмника. Условие работоспособности линии [5], таким образом, задаёт диапазон потерь, в который должен попасть оптический бюджет. Если потери оказываются ниже, чем требуется, и на приёмник попадает слишком большая мощность, в линию вводят такие элементы, как оптические аттенюаторы, имеющие заданную величину потерь. Эти потери добавляются в А_общ и проводится повторная проверка условия [5].

Расчет оптического бюджета GPON

Оптический бюджет играет одну из самых важных ролей в проектах по строительству сетей GPON, поэтому рассмотрим прикладную задачу подсчёта бюджета при строительстве таких сетей. Наряду с планированием прохождения трасс магистральных и распределительных кабелей необходимо точно представлять, будет ли возможно подключить всех потенциальных абонентов, проживающих в доме или в населенном пункте, где планируем строить нашу сеть.

В порядке примера применения этого расчёта рассмотрим одну из самых популярных схем организации сети PON — деление с коэффициентом К=64, выполненное двумя каскадами: 1×8 и 1×8.

На рис. 1 показана структурная схема такой сети, где: ОРШ — оптический распределительный шкаф, в котором магистральное ОВ делится сплиттером с коэффициентом 1:8 (первый каскад); муфты-кроссы — оптические муфты, в которых ОВ распределительных кабелей делятся сплиттером так же с коэффициентом 1:8 (второй каскад); показаны также сварные и разъёмные соединения на ОВ.

Рис. 1. Структурная схема сети PON при делении 1×8 : 1×8 (К=64).

Необходимо учесть все факторы потерь, расположенных в данном случае на пути от станции до абонента. В силу того, что абонентов много (в этой сети — до 64-х) и все они находятся приблизительно на одинаковом расстоянии от станции, заниматься подробным расчётом для каждого абонента было бы затруднительно. Расчёт делается один, но все параметры выбираются как самые неблагоприятные — длина ОВ до самого удалённого абонента, предельно допустимые потери на сварках и разъёмах, длина волны λ=1310 нм и т. д.

В примере рассмотрим суммарную длину ОВ равную 10 км.

Потери в ОВ в таком случае составят:

Потери в соединениях подсчитаем, используя для наглядности схему на рис. 2. Потери на сварках взяты гораздо большей величины, чем было в [3]. Это учитывает возможность того, что при монтаже таких сетей могут использоваться сварочные аппараты для локальных линий или вовсе механические соединители типа «fibrlok».

Рис. 2. Линейная схема OLT – ONT, с указанием потерь (дБ) на соединениях.

В результате имеем:

Табл. 1. Типовые потери на планарных сплиттерах в зависимости от коэффициента деления.

Как уже говорили, берем наихудший вариант потерь. Для двух наших сплиттеров (1×8) имеем:

Итого для линии длиной 10 км, на длине волны λ=1310 нм и с учётом всех элементов линии получаем суммарные потери:

Получив значение общих потерь или, другими словами, подсчитав оптический бюджет линии, убеждаемся, что в этой сети можно использовать активное оборудование, имеющее запас по мощности А_доп = 28,5 дБ. Такой бюджет имеет оборудование класса B+ (согласно стандарту G.984.1). Значит, используя в данной сети GPON приемопередающее оборудование класса B+, мы гарантированно обеспечим ее работоспособность.