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Capítulo 10Diseño de Sistemas Opticos Submarinos
Lima, Agosto 2015Diógenes Marcano
Ejemplos de Diseño
• El objetivo principal del diseño es garantizar un OSNR elevado en el receptor
• Este objetivo debe considerar el hecho de que los sistemas se diseñan para una vida útil de 25 años
• La degradación del OSNR debido a reparación y envejecimiento de la fibra y de los otros componentes ópticos debe tomarse en consideración
Las expresiones anteriores indican que si definimos un OSNR dado, entonces el alcance máximo del sistema lo define la longitud del span, suponiendo conocido los otros parámetros
Sea un sistema submarino de F.O con los siguientes parámetros: OSNR = 16 dB, =1550 nm (f=193.54 THz) en un ancho de banda de referencia Bo = 0.1 nm, NF = 4.7 dB, Nλ = 64 canales, Psource,all dBm = 14 dBm y la atenuación de la fibra α = 0.21 dB/km.Calcular la cantidad máxima de span y la longitud total del sistema sia) Lspan=95 Kmb) Lspan=61 Kmc) Lspan=48 Km
)log(10)10log(10 3 NxhfBNFLossPOSNR ospandBm source,F
Parte práctica 10.1 - Ejemplo para resolver en grupo OSNR en cables submarinos
Haga una gráfica del alcance máximo del sistema en función de la cantidad de span.
Nota: Para la gráfica necesita evaluar otros puntos adicionales.
Enlace de gran alcance
)log(10)10log(10 3 NxhfBNFLossPOSNR ospandBm ource,sF
Esta ecuación puede optimizarse para ciertos parámetros del enlace; fijando algunos de ellos podemos hacer variar los otros.
)log(10)10log(10 3,, NxhfBNFPOSNR odBm indB F
Pin,=Psource, -Lossspan. Pin, es la potencia que entra a cada amplificador por cada
Parte práctica 10.2 - Ejemplo para resolver en grupo Potencia Requerida vs. Número de Span
Lspan=80 Km
Lspan=40 Km
OSNR=23 dB
Lossfibra=0.23 dB/Km.
NF=5 dB.
f=193.4 THz
Bo=12.5 GHz
Sea un enlace de 4000 Km de longitud y un span de 40 km, determine la potencia de la source por cada . Compare sus resultados con los obtenidos por la siguiente gráfica.
)log(10)10log(10 3 NxhfBNFLossPOSNR ospandBm ource,sF
Aquí se conoce la longitud del Span, la cantidad de Span, así que se despeja la potencia
Potencia Requerida vs. Número de Span
NF=5 dB
Lspan=80 Km
Lossfibra=0.23 dB/Km
f=193.4 THz
Bo=12.5 GHz
OSNR=23 dB
OSNR=17 dB
Lruta=4000Km, N=50
5.44 dBm
-0.56 dBm
El requerir menos potencia por span se paga con el tener un receptor más sensible pero que también cuesta más.
)log(10)10log(10 3 NxhfBNFLossPOSNR ospandBm ource,sF
Degradación del OSNR- Caso de Estudio
El OSNR desde el BoL hasta el EoL se degrada debido al envejecimiento de los dispositivos ópticos, incluyendo la fibra, y a las reparaciones. Dicha degradación se manifiesta como una reducción en OSNR.Esta degradación está basada en las siguientes suposiciones:1. 5% de los repetidores presentarán fallas en las bombas laser. Esta falla se
manifiesta por medio de una caída de la señal de 3 dB2. La atenuación de la fibra aumentará en 0.005 dB/Km en 25 años3. Las pérdidas adicionales por reparaciones en el cables son:
I. En aguas con profundidad superior a 1000 m, se consideran 3 dB de pérdidas por cada reparación, se estima una reparación por cada 1000 km
II. En aguas pocas profundas, inferior a 1000 m, se consideran 0.5 dB por cada reparación en el cable instalado. Se estima una reparación cada 20 Km.
4. Las fallas en el cable y en los repetidores ocurren en secciones diferentes del cable
Características del SistemasSe consideran dos sistemas
Longitud: 2000 Km• Aguas pocos profundas:
1000 km• Aguas profundas: 1000 Km• Cantidad de repetidores: 30• Separación entre
repetidores: 70 Km• Fibra en BoL: =0.2 dB/km• Psource= 1mW=0 dBm
Longitud: 6000 Km• Aguas pocos profundas:
1000 km• Aguas profundas: 5000 Km• Cantidad de repetidores:
120• Separación entre
repetidores: 50 Km• Fibra en BoL: =0.2 dB/km• Psource= 1mW=0 dBm
Expresiones del OSNR)log(10)10log(10 3
,,, NxhfBNFLossPOSNR oBoL spanBoL sourceBoL F
)log(10)10log(10 3,,, NxhfBNFLossPOSNR oEoL spanBoL sourceEoL F
EoL spanBoL spanEoL FBoL F LossLossOSNROSNR ,,,,
_F.OReparacionPerdidas
es_RepetidorReparacionPerdidasLLossLoss spanBoL spanEoL span
_
_,, Si
_F.OReparacionPerdidas
es_RepetidorReparacionPerdidasLOSNROSNR spanEoL FBoL F
_
_,,
Entonces
Caso de enlace de 2000 KmDegradacion del OSNR
Cantidad de Span N_Span 30Variacion de atenuacion en la F.O, dB/Km 0,005Alcance total del enlace optico, km L_alcance 2000Longitud en aguas profundas, Km L_APR 1000Longitud en aguas no-profundas, Km L_NP 1000Porcentaje deepetidores que fallan, % RF 5Perdidas debido a las fallas en repetidores, dB LRF 3Perdidas por reparacion en aguas profundas, dB Loss_APR 3Distancia entre reparaciones consecutivas en aguas profundas, Km D_APR 1000Cantidad de reparaciones en aguas profundas NR_APR 1Perdidas por reparacion en aguas no-profundas, dB Loss_NAP 0,5Distancia de reparacion en aguas no profundas, Km D_NAP 20Cantidad de reparaciones en aguas no profundas NR_NAP 50
Variacion de las Perdidas en un Span debido a reparaciones, dB Delta_P 1,08Variacion de las perdidas en la F.O por envejecimiento, dB Delta_Loss 0,33Degradacion del OSNR, dB Delta_OSNR 1,42Degradacion del OSNR Delta_OSNR 1,3857
Resultados
Degradacion del OSNR
Parte práctica 10.3 - Ejemplo para resolver en grupo Degradación del OSNR en un enlace de 8000 Km
Sea el enlace de 8000 Km de longitud descrito a continuación. Determine la degradación del OSNR después de 25 años de haber entrado en servicio
• Aguas pocos profundas: 1000 km• Aguas profundas: 7000 Km• Cantidad de repetidores: 160• Separación entre repetidores: 50 Km• Fibra en BoL: =0.18 dB/km• Psource= 1mW=0 dBm• = 0.005 dB/Km
Práctica 10.4 - Diseño de un Sistema Óptico Submarino
• OSNR=18 dB para un BER de 10-12.• La Fibra debe cumplir con el estándar ITU-T G.654D. Considere la
opción de recomendar una fibra comercial que cumple con la recomendación anterior o que la supere.
• NF=5 dB
Se requiere establecer un en enlace óptico submarino entre dos ciudades A y B. Los estudios previos realizados determinaron que la distancia del cable debe ser de 7300 Km. Su grupo de trabajo ha sido llamado a participar en el proceso de licitación para el diseño técnico del sistema. Como referencia sólo se conocen los parámetros mostrados a continuación. También disponen de las calculadoras que se les han entregado.
ANEXO al Cap. 10Fallas en sistemas submarinos
Consideraciones de Confiabilidad• Los sistemas de cables ópticos submarinos deben ser confiables y robustos ante
fallas a fin de evitar las costosas reparaciones de la planta húmeda• Dado que las reparaciones pueden cambiar es necesario establecer un esquema
de mantenimiento que garantice las reparaciones durante la vida del cable• Las fallas pueden deberse a causas internas o externas– Internas: falla en la fibra, falla en la alimentación, en los repetidores, ecualizadores, etc.– Externas: debidas a las actividades propias de pesca, anclaje de buques, mala operación
de la planta terrestre.• La confiabilidad se expresa a través de dos parámetros– Tasa de Fallas, expresada en FIT (failure in time). 1 FIT representa una probabilidad de
falla de 10-9 fallas en una hora de operación. Lo que equivale a una probabilidad de que ocurra una falla en 114155 años.
– Mean time between failures (MTBF): Se refiere al tiempo promedio esperado entre dos fallas consecutivas
– Estos parámetros se refieren al sistema como un todo, no a equipos individuales
Tasa de Falla - FIT
años horas10X
X falla 1Hora fallas10
FIT 1
9
9
114155
años ff
horas10X
X falla 1Hora fallasf10
FITs f a igual MTBFun tiene sistemaun si
9
9
114155
Indicadores de Confiabilidad
• Mean time to repair (MTTR): tiempo promedio para reparar una falla
• Outage: MTTR/MTBF– Se expresa en minutos, e indica el tiempo que la
red no estará disponible en un año.• Confiabilidad de la red (%)
%_
_nObservacioTiempo
OutagenObservacioTiempodadConfiabili
FALLAS INTERNAS• Fases en la vida del sistema - Tasa de Fallas– Periodo Inicial de Fallas (Mortalidad Infantil)– Fallas aleatorias– Envejecimiento
• Confiabilidad de la Planta Sumergida– Requerimientos Generales: diseño robusto y
componentes apantallados para protegerlos– Redundancia: los laser son redundantes en los
amplificadores
Etapas en la Vida del Sistema de Cable Submarino• Fase 1 - Mortalidad Infantil– Al inicio del periodo de trabajo los componentes y módulos de los sistemas submarinos
presentan una alta tasa de fallas, la cual se reduce con el tiempo. Este corto periodo se denomina mortalidad infantil y dura entre uno y dos años.
– Esto se debe a imperfecciones en los componentes, mal manejo en la operación, fallas en el sistema de energía, etc.
• Fase 2 - Fallas Aleatorias– Después del periodo de mortalidad infantil, viene otra etapa caracterizada por una baja
tasa de falla. Este periodo es el de vida útil del sistema, donde la tasa de fallas es casi constante
• Fase 3 - Envejecimiento– Se produce cuando los sistemas y componentes asociados comienzan a desgastarse
debido al uso. Las fallas se producen por envejecimiento, fatiga de los materiales, desgaste excesivo y corrosión ambiental , entre otros.
Confiabilidad de la Planta Sumergida
• La planta húmeda es más crítica en términos de confiabilidad ya que el MTTR es mayor
• Mientras que en la planta seca el MTTR es del orden de 2 horas, en la planta húmeda puede ser 2 semanas.– Básicamente debido a la sensibilidad del laser usado en los
repetidores.• En las redes terrestres los amplificadores tienen una tasa de
fallas típica de 1000 a 10000 FIT (una falla cada 114 a 11,41 años) en comparación con los amplificadores submarinos que están en el orden de 10 a 100 FIT (una falla cada 11415 a 1141 años). Estos son parámetros estadísticos y deben entenderse en el sentido probabilístico.
FALLAS EXTERNAS
Ubicación: sesiones del cable Causas: pesca de fondo y de arrastre, corrientes marinas, terremotos y
volcanes En caso de fallas en la planta sumergida, es necesaria la reparación del
sistema y la intervención de los buques especializados– Las secciones dañadas del cable se cortan y se reemplazan a borde de
los buques.– El MTTR estimado puede ser de una a tres semanas, dependiendo de la
falla, de la localización, la profundidad, disponibilidad de buques, la cusa y del clima.
Para minimizar el impacto de las fallas en el tráfico, se incrementa la disponibilidad del sistema a través de rutas alternas, siempre que sea posible.
Si la falla produce pérdidas de transmisión, entonces el tráfico es re enrutado hacia el sistema de protección.
Localización de Fallas
• Las fallas inesperadas son inevitables, siempre están presentes en los sistemas.– El diagnóstico rápido y la remoción de la falla es un requisito
para minimizar l a interrupción del tráfico• Es importante un buen sistema de monitoreo y de
supervisión• La recomendación ITU-T G.976, detalla una serie de
pruebas que pueden hacer en servicio y otras para el caso fuera de servicio desde la estación terminal– Estas pruebas permiten localizar y determinar el tipo de falla