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发布日期: 2011年4月8日

遥控 OTDR 用于海底光缆部署、光纤监测和恢复的优势

遥控 OTDR 用于海底光缆部署、光纤监测和恢复的优势

4/26/2011

对于网络运营商而言,当必须建设一条通道来连接两个城市或任意两个着落点(无论是连接沿海岸的两个点的架空链路、从岛屿到大陆的连接,还是从海上平台到陆地的连接)时,水路代表着可替代陆地路线的经济高效替代方案。这些光缆保持离海岸相对近并安装在海底,通常深几米到几百米。由于捕鱼、拖网和锚定之类的人类活动,要保持这些光缆不出现任何重大故障是一项艰巨挑战。航道和海峡等交通流量密集的区域情况最为糟糕。
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图 1. 1995 至 2007 年修复工作的分布及其对应深度。数据从 Internet 收集,是关于一家靠近欧洲大陆的运营商。60% 的光缆故障发生在深度小于 500 m 的区域:在 50 m 或更小范围为约 100 次。

如图 1 所示,大多数损坏发生在邻近海岸的位置,可以通过选择最佳设备和资源快速修复。尽管可以使用许多种有效的技术和工具,光缆的修复过程仍然需要很长时间,一些情况下需要数天到数周。尽管本文提出的解决方案本身不会明显改善这些情况,但其可结合其他技术使用以缩短总的修复时间,还可能减少主要用于光学测试的人力,在一些情况下,甚至令执行预防性措施以避免整条光缆报废的情况增多。

无中继链路和海底光缆设计的演进

无中继海底链路在设计上不需要铜包层,也不需要供电设备 (PFE),这造成了无法使用基于分流故障的故障定位技术的情况。然而,大部分光缆包含导电材料、铜包层或条带以传播音频高电压注入,从而跟踪始于船只的光缆线路并帮助定位海底遥控操作潜水器 (ROV) 中或浅海潜水员使用的实际故障点。由于此应用的光缆设计的固有特点,OTDR 很有可能成为更普及的无中继器光缆系统光学连续性的测量手段。

远程站点和监测要求

使光缆回到海边以光学地发生信号通常是有利的,并且这尤其适合沿海线路。远程站点易于受到盗窃或故意破坏者的损坏,特别是在光缆无法完全隐藏或受保护的情况下。例如现场 OTDR 之类的可远程访问的光学测试仪器可以持续检查一条或多条光缆中的一根或多根光纤,这对于恶意攻击情况下的反应和恢复时间有重要意义。此设备不仅必须能够检测并确定故障的包层长度,还必须能够快速提醒一名或多名人员发生了光缆中断(或者甚至更理想地,将要发生中断)。EXFO 的 Fiber Guardian 是一款测试和网络维护解决方案,可部署于海底光缆网络的战略点,有助于从实际上任何位置直接远程获知光纤情况。

典型实施

在以下场景(两条虚构光缆线路)中,有三个着落点:罗马、那不勒斯和巴勒莫。罗马至那不勒斯一段长约 300 km,并可通过无中继器的系统进行管理。那不勒斯至巴勒莫一段长度小于 400 km,也可以不用中继器进行部署。测试设备将位于每个终端站,采用 1 x n 光开关进行路径交换。理想情况下,预留每条光缆中的一根光纤以通过光学配线架 (ODF) 直接连接到测试设备。该光纤被标识为“暗”光纤。所有其他负载信号光纤可通过多路复用器 (FWDM) 连接到测试设备,以避免当必须建立到光缆中任何光纤的测试通道时需要进入现场;可在发射信号“开”或“关”时执行负载信号光纤测试。
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图 2. 无中继器光缆线路的虚构典型实施,以及 OTDR 设备如何非侵入性地连接到这些光缆的各光纤。

在本示例中,可从两端测试整条光缆。这要求 OTDR 使用较长脉冲宽度和每条光纤约 1 分钟的测试持续时间,以采用 40 dB 衰减测量光纤末端/切口。暗光纤可用于监测光缆,并且在其被切断的情况下,光纤损坏的光缆长度的测量精度将根据到该设备的距离而变化,如表 1 中提供的值所示。

在上述实施中,由于一台设备无法测试远超过 40 dB 的衰减,因此在一个方向以 1550 nm 测试暗光纤,在其另一个方向以 1625 nm 进行测试。下图显示了用 EXFO 的 FTB-7600E OTDR 模块对约 300 km 的海底链路测量得到的基准曲线。考虑到光开关和跳线光缆引入的注入损耗,该图清晰显示了覆盖距单端 OTDR 仪器超过 200 km 的长度的能力。
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图 3. 用 EXFO 的基于 FTB-7600E OTDR 的 Fiber Guardian 超长距离型号测得的海底光缆的端到端 OTDR 曲线。该曲线清楚显示了大于 40 dB 的测量范围和超过 200 km 的覆盖范围(1550 nm,暗光纤的情形)。

在另一端抑制 1550 nm OTDR 信号使得能够从两端测试相同光纤,无论另一端的测试设备是否正在测试。对于可能承载流量的负载信号光纤,以 1625 nm 从两端执行测试;因此,在这种情况下,应通过单个操作员或应用程序来获取测量结果,使得测试一次从一端运行。显然,对于最长 200 km 的链路,单端测试是可行的,但其分辨率不如双端测试。

到故障位置的光纤长度 (km)

1.25

10

40

200

故障定位不确定度(典型值)m ±

1

2

5

18

表 1. 典型的故障定位不确定度,以到故障点的光纤距离来表示,依据为到 OTDR 设备的距离。

测试负载信号光纤时,尽管由于 Raman 效应生成的向后散射到 OTDR 波段的自发噪声水平的增大,导致与暗光纤相比测量范围性能可能降低,但仍然有这样一个重要优势:能够从该站测试所有光纤,而不必派遣人员到现场进行光学连接;这样,可以从船上、网络运营中心或其他地方完全远程地执行测量。
表 1 中的故障定位不确定度图假设单个光纤到光缆长度(比例因子)已知并被指定为 OTDR 测试参数中的一个。架设光缆时必须校准该因子,或者可以在实际安装光缆时完成此工作,使得 OTDR 对从每个光缆段起点到终点的覆盖参考船路线上的某个位置,然后根据海底位置进行计算。对于海底线路,海底的实际光缆位置和船的位置(光缆入水处)可能存在明显不同。计算船的线路和光缆入水时的实际光缆位置(以纬度、经度和深度表示)是实现任何基于光学的故障定位方法的重要用途中十分关键的方面(在某种程度上是前提条件)。

远程连通性可实现高效光缆测试

一旦安装完毕并与要测试或监测的光缆相关联,此设备就通过直接运行于其上的 Web 服务器连接到基于以太网/TCP/IP 的 LAN/WAN。这使得 NOC 或远程用户实际上能够从任何位置访问此设备,以实现配置或测试目的。如果启动了对一条或多条光纤的监测进程,则在光纤损坏或中断时用户可收到已编程的警告。这些警告可以是短信息服务 (SMS) 文本消息,其从设备上的调制解调器直接发送至任何类型的移动电话以便及时通知,从设备检测到故障情况时起数秒内即可收到。通过 Web 浏览器可访问测试和配置功能。此设备也可通过 SNMP 连接以与网络管理或监控系统集成。
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图 4. 此开箱即用的远程光纤测试和监测设备可以从终端站连接至一条或多条光缆,成为任何安装与维护团队成员均能够使用的方便工具。

铺设光缆后的检验和测量

由于测试设备通常配备内部光开关单元,因此在光缆船铺设光缆时该设备可以测试所有光纤。可从终端站到光缆入水处监测所有光纤,以确保当光缆情况(从光学质量方面考虑)显著改变时可停止此过程并检验光缆的完整性。当光缆埋入时,可应用小至 0.05 dB 的故障检测阈值。可利用简单的 Web 浏览器从船上或网络运营中心访问故障信息(如原始 OTDR 测量数据)。
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图 5. 远程光纤测试和监测设备可支持光缆安装,尤其是光缆的埋入部分。

海底光缆系统中的典型远程 OTDR 测试和监测应用

如前所述,安装在光缆终端站的 OTDR 和光开关可以满足多种需求和应用。

  • 监测最长 200 km 的光缆并提醒一名或多名团队成员光缆可能存在的问题
  • 如果光缆在入水前在光缆船上熔接,则帮助测量实际的光纤到光缆长度“比例因子”
  • 支持维修人员时,从终端站测试实时熔接质量
  • 测试在服务激活前长期处于“暗”状态的光纤
  • 更准确地测量修复时间并降低对维修人员的依赖程度
  • 加快当沿海光缆遭到恶意攻击时的反应速度

外径感知光纤用于尽早警告光缆应力

海底光缆维修的成本、投入的巨大人力和全球这些事件的数量促使运营商寻找新方法来降低其海底光缆的安装和维护费用。用 OTDR 监视光缆外包层中的一些感知光纤(如每个象限一条)可采用预防性更好的方法尽早警告可能的光缆入侵。这些光纤的健康状况确实代表了光缆的整体情况。在这种情况下,选择基于 OTDR 技术(传统上开发用于陆上应用)的商用远程测试和监测设备可以起到更好的作用。
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图 6. 除传统的海底光缆建设外,在光缆的聚乙烯外包层添加符合标准的光纤可用作传感器并与 OTDR 远程测试系统结合使用,以便及早警告光缆中断。

结论

本文介绍了传统 OTDR 在遥控海底光缆安装和故障管理相关活动中的应用和用途,并介绍了一种开箱即用的监测和远程测试解决方案,该方案可安装在最长 400 km 的无中继链路中的终端站。此外,对于安装有中继器的链路,如果光纤仅专用于 OTDR 测试目的,则该解决方案可最多测试到第一个中继器处或 250 km。还可以检测并定位几十分贝的衰减,并且能够以光缆/光纤包层长度上的米级精度识别切口。