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