Особенности тестирования оптических кабельных систем

Оптические системы связи все чаще применяются как в инфраструктуре ЦОДов, так и в корпоративных сетях. Причина очевидна: скорость передачи данных, обеспечиваемая оптикой, выше, чем в случае использования медножильной проводки, а поддерживаемые расстояния значительно больше. Но, чтобы оптическая кабельная система гарантированно выполняла свои задачи по поддержке высокопроизводительных сетевых приложений — как сегодняшних, так и будущих, необходимо выполнять ее тестирование и сертификацию.

Иногда приходится слышать рассуждения о бесполезности проведения тестирования, поскольку все чаще используются претерминированные кабельные решения, в которых волокна оконцованы коннекторами на заводе и все там же проверено. По большому счету, применение претерминированных решений исключает только возникновение затухания сигнала на сварных соединениях, потому как сваривать волокна в «полевых» условиях уже не требуется. Однако никто не гарантирует, что не возникнет проблем из-за возможного загрязнения соединителей или чрезмерного изгиба кабеля в процессе укладки.

Как известно, воздушная прослойка между сопрягаемыми волокнами должна быть минимальной. Однако в процессе транспортировки, инсталляции или эксплуатации на коннекторы может попасть грязь, что приведет к увеличению зазора и повышению затухания. Причем наиболее чувствительны к загрязнению все более востребованные многоволоконные коннекторы MPO, а попадание на них грязи может обернуться ухудшением характеристик сразу всех соединений, организуемых через MPO.

Помимо затухания сигнала в соединениях, необходимо учитывать затухание в самом оптическом кабеле, которое априори определяется качеством изготовления волокон и кабеля в целом. Ясно, что в процессе инсталляции снизить затухание нельзя, зато его можно существенно повысить. Например, если радиус изгиба кабеля окажется меньше минимально допустимого значения из-за неграмотной инсталляции, то возможно не только резкое усиление затухания, но даже нарушение связи. Качество прокладки, как правило, удается установить только путем тестирования.

Проблемы усугубляются в результате ужесточения требований к допустимому уровню потерь при увеличении скорости передачи данных. Как видно из рис. 1, если для 10-мегабитного Ethernet этот уровень составлял 6,8 дБ, то для 100-гигабитной технологии снизился до 1,5–1,9 дБ. Подобная картина наблюдается и для технологии Fibre Channel, что подтверждает важность проведения тестирования и более точных измерений.

Рис. 1. Уровень максимально допустимых потерь в канале для различных оптических технологий Ethernet

ЧИСТОТА — ЗАЛОГ УСПЕХА

Конструктивные элементы современных высококачественных коннекторов обеспечивают точное центрирование волокон. Поэтому для минимизации затухания в соединении прежде всего надо убедиться в чистоте торцов сопрягаемых волокон. Такую проверку следует выполнять не только перед тестированием кабельной системы (до подключения тестовых шнуров, транковых кабелей, коммутационных шнуров), но и вообще перед каждым подключением.

Рис. 2. Принцип «проверьте, перед тем как подключить» (Inspect Before You Connect, IBYC)

Загрязнение диаметром всего 1 мкм может заблокировать сердцевину волокна, вызвав сильное обратное отражение сигнала и увеличив вносимые потери. Соединение загрязненного коннектора с чистым может повредить всё соединение и ухудшить работу линии связи в целом. Поэтому мы рекомендуем следовать принципу «проверьте, перед тем как подключить» (Inspect Before You Connect, IBYC) (см. рис. 2). Контроль состояния торцов волокон и коннекторов обычно осуществляется с помощью портативных микроскопов (см. рис. 3).

Рис. 3. Состояние торцов оптических волокон под микроскопом

Для очистки оптических элементов предлагаются различные наборы средств. Так, для обработки торцов волокон в коннекторах на коммутационных шнурах можно использовать чистящие кубы и карандаши со специальным растворителем, а для «уборки» поверхности внутри порта оборудования — специальные чистящие палочки.

Помимо загрязнения коннекторов, высокий уровень затухания, превосходящий допустимое значение, может быть обусловлен повреждением волокон, чрезмерным изгибом кабеля и т. д. (см. таблицу).

Возможные дефекты в кабельной инфраструктуре

УСЛОВИЕ ВВОДА ИЗЛУЧЕНИЯ

Для получения точных и воспроизводимых результатов измерений в многомодовых кабельных системах чрезвычайно важно, как именно излучение вводится в тестируемую систему. Одни источники излучения (например, светодиод LED) могут переполнять волокно светом (overfilling) — в этом случае световое пятно больше размера сердцевины волокна, тогда как другие (например, лазер), наоборот, не заполнят светом всю сердцевину волокна (underfilling) — см. рис. 4. В первом случае измеренное значение затухания может оказаться завышенным, во втором — заниженным. Ни о какой повторяемости результатов при использовании тестеров с различными типами источников света не может быть и речи.

Рис. 4. Засветка волокна в режиме неполного заполнения (underfilling) (вверху) и переполнения (overfilling) (снизу)

Результатом усилий отрасли по унификации условий ввода излучения стало принятие в 2009 году «шаблона» Encircled Flux (EF) в стандарте IEC 61280-4-1 ed.2 (и ANSI/TIA-526-14-С). Соответствие этому шаблону (см. рис. 5) позволяет снизить разброс измерений, что особенно важно, поскольку, как уже отмечалось, по мере увеличения скорости передачи данных допустимый бюджет потерь уменьшается.

Рис. 5. Пример заполнения волокна излучением в соответствии с «шаблоном» Encircled Flux (EF)

Соответствие условиям EF определяется с помощью специального аппаратно-программного комплекса, не предназначенного для использования в полевых условиях. Такой комплекс измеряет распределение света на выходе вводного шнура. Отвечающий требованиям EF световой поток можно получить непосредственно на выходе источника, однако обычно для гарантированного соответствия используют специальный модовый фильтр, который устанавливается между портом источника и вводным шнуром (см. рис. 6). Как правило, для выполнения требований EF применяются откалиброванные вводные шнуры, которые, как и приборы для ввода излучения, поставляются производителем тестового оборудования. Следование прилагаемым инструкциям позволит реализовать нужные условия ввода излучения EF без необходимости его проверки в полевых условиях.

Рис. 6. Использование модового фильтра для обеспечения соответствия характеристик вводимого в тестовую систему излучения «шаблону» Encircled Flux (EF)

УРОВНИ ТЕСТИРОВАНИЯ

При тестировании оптической кабельной системы для корпоративной сети, как правило, ограничиваются измерением затухания сигнала. Другие параметры, в частности ширина полосы пропускания, безусловно, тоже важны, но обычно качество выполнения работ по инсталляции не оказывает на них серьезного негативного влияния, а потому их проверка в полевых условиях не является необходимой. Тестирование, сфокусированное на измерении потерь и обычно выполняемое с помощью оптических тестеров (LSPM) или оптических модулей к кабельным анализаторам (OLTS), относится к тестированию уровня 1 (Tier 1), наряду с измерением длины линии и ее полярности.

Уровень 2 (Tier 2) предполагает тестирование с помощью оптического рефлектометра (OTDR). Предположим, тестирование уровня 1 выявило повышенное затухание сигнала в линии, но не предоставило информации для локализации причины роста затухания. Такой причиной может быть, скажем, резкий изгиб кабеля где-нибудь в скрытом труднодоступном месте. Рефлектометр поможет определить расстояние до него, а значит, оперативно найти и устранить последствия неквалифицированного монтажа.

Но вернемся к тестированию Tier 1, точнее к измерению затухания. Оно должно выполняться на каждом сегменте пассивной постоянной линии кабельной системы. Такой сегмент состоит из кабеля, коннекторов, адаптеров и сварных соединений (сплайсов), находящихся между терминирующими элементами (коммутационными панелями, информационными розетками и др.) — см. рис. 7. Каждое терминированное волокно, входящее в состав сегмента, должно быть протестировано. При измерении затухания в линии принимается во внимание затухание на коннекторах интерфейсов терминирующих элементов (с обоих концов линии), но не учитывается затухание на интерфейсах активного оборудования.

Рис. 7. Тестируемый сегмент постоянной линии

Сегменты горизонтальных линий относительно короткие, поэтому различие в затухании сигнала на разных длинах волн несущественно, а значит, достаточно провести тестирование только на одной длине волны: 850 или 1300 нм. Магистральные и составные линии могут быть гораздо длиннее, зависимость затухания от длины волны проявляется сильнее. Следовательно, необходимо выполнять проверку на обеих длинах волн.

Различия в результатах тестирования при разных направлениях прохождения сигнала, как правило, незначительны, поэтому обычно достаточно провести испытание только в одном направлении. Однако, когда в инсталляции имеются разные типы волокон или даже волокна с разным размером сердцевин, требуется выполнить тестирование в обоих направлениях, что позволит выявить непреднамеренную стыковку волокон с разными сердцевинами (например, 50 и 62,5 мкм), при этом потери в разных направлениях будут различными. Кроме того, тестирование в обоих направлениях необходимо в том случае, если полировка при терминировании осуществлялась в полевых условиях.

ОСОЕННОСТИ ТЕСТИРОВАНИЯ MPO

Процедуры измерения затухания сигнала в тестируемых кабельных системах подробно — пошагово — описаны в руководствах по полевому тестированию волоконно-оптических систем, которые читатель без труда найдет в библиотеках ведущих производителей кабельных систем и поставщиков тестового оборудования. Здесь же мы рассмотрим особенности тестирования многоволоконных систем с коннекторами MPO, которые все активнее применяются ввиду неизбежного перехода на приложения, где используется параллельная передача оптических потоков, как, например, в системах 40G/100G Ethernet.

Напомним, что коннектор MPO позволяет объединять несколько волокон в одном разъеме — обычно это 12 волокон, хотя есть решения и на 8 и 24 волокна (возможны и другие варианты). Если в такой системе на обоих концах установлены кассеты MPO-LC, то проверка может свестись к традиционному тестированию линий, оканчивающихся дуплексными разъемами LC (см. рис. 8). В этом случае для проверки всех 12-волоконных линий MPO необходимо выполнить шесть отдельных тестов.

Рис. 8. Тестирование линии с транком MPO и модулями MPO-LC (SC, ST) на обоих концах

Если тестируемая система представляет собой обычную магистральную линию (транк) MPO, то есть оканчивается разъемами MPO, в ней отсутствуют одноволоконные коннекторы, к которым можно было бы подключить одноволоконные тестовые шнуры. Чтобы разделить транк на одноволоконные каналы для измерения затухания с помощью тестеров, оснащенных адаптерами LC, можно использовать кабельные разветвители «гидра» (см. рис. 9).

Рис. 9. Тестирование транка MPO c разделением его на одноволоконные каналы с помощью кабельных сборок «гидра»

Однако сейчас на рынке уже появилось многоволоконное тестовое оборудование, позволяющее тестировать сразу все 12 волокон транка MPO. Примером такого устройства является тестер MultiFiber Pro компании Fluke. Благодаря таким инструментам существенно упрощается процесс тестирования MPO-магистралей, причем использовать шнуры-разветвители не требуется. Как утверждает производитель, приборы MultiFiber Pro дают возможность проводить тесты на 90% быстрее, чем при традиционном подходе, когда затухание измеряется в каждом одноволоконном канале.

ДЕЛАЙ РАЗ, ДЕЛАЙ ДВА, ДЕЛАЙ ТРИ

В сложных инфраструктурах, особенно в ЦОДах, используются различные сетевые технологии (Ethernet и FC) с поддержкой разных скоростей, имеется множество различных сред передачи, каналов и т. д. Чтобы облегчить проектирование, инсталляцию, проверку и последующее изменение или модернизацию кабельной системы, специалисты CommScope рекомендуют воспользоваться трехшаговым подходом.

Шаг 1. При помощи специальных расчетных таблиц (их примеры приведены в статье «Кабельная инфраструктура для сетевых фабрик» в сентябрьском номере «Журнала сетевых решений/LAN») можно определить максимальную длину линии и число соединений (одноволоконных и/или многоволоконных) для поддержки необходимой сетевой технологии (приложений) с учетом класса волокна, а при необходимости — учесть и возможность поддержки технологии, которую планируется внедрить на следующем этапе развития сети.

Например, согласно расчетным таблицам, в случае использования волокна LazrSPEED 550 и четырех соединений MPO технология 40GBase-SR4 (850 нм) будет гарантированно функционировать при длине линии 155 м. (Уменьшение числа соединений MPO приводит к увеличению максимальной протяженности линии, и наоборот.) При выборе того же волокна и того же числа соединений MPO гарантированная длина линии в случае 100GBase-SR4 сокращается до 114 м. Соответственно, если для построенной сети 40GbE протяженность линий не будет превышать 114 м, то в будущем поддержку скорости 100 Гбит/c удастся обеспечить без замены кабельной инфраструктуры.

Шаг 2. Для установленной на первом этапе топологии кабельных линий (длина линии + число соединений) необходимо определить максимально допустимое затухание. Данные по затуханию для отдельных компонентов могут быть получены из соответствующих спецификаций, однако простое сложение значений, скорее всего, приведет к завышенной оценке потерь в линии. Компания CommScope предлагает для этой задачи специальный калькулятор Fiber Link Loss Calculator, который доступен в числе прочего в версиях для мобильных устройств Apple и Android (см. рис. 10). При работе с ним необходимо задать общие характеристики: класс волокна, общую длину тестируемой линии, число соединений, модулей MPO, сплайсов и др.

Рис. 10. Пример формы калькулятора SYSTIMAX Link Loss Calculator на смартфоне Android

Вычисляемое калькулятором значение — это максимально допустимые потери, гарантирующие, что линия будет обеспечивать необходимую производительность. Заметим: полученный результат, скорее всего, будет меньше значения, определяемого стандартами TIA и IEC, как и значения, полученного простым сложением потерь всех отдельных компонентов, составляющих линию.

Шаг 3. Теперь надо инсталлировать кабельную систему (согласно топологии, определенной на этапе 1), измерить затухание и сравнить его с рассчитанным на калькуляторе (на этапе 2). Если затухание меньше расчетного, значит, все отлично: кабельная инфраструктура гарантированно обеспечит работу сетевой технологии (активного оборудования). Если в предопределенный лимит уложиться не удалось, придется проводить дополнительные проверки. Возможно, потребуется воспользоваться рефлектометром (тестирование Tier 2) для локализации дефекта или проблемного участка.

Если кабельная инфраструктура построена из качественных компонентов, а инсталляция проведена сертифицированными специалистами, то, скорее всего, измеренное затухание окажется в пределах расчетного значения. Заказчик получит надежную высокопроизводительную систему, способную обеспечить решение не только текущих задач, но и поддержку сетевых технологий следующего поколения с максимальным сохранением сделанных инвестиций.

Степан Большаков, технический директор CommScope