Анализ вероятности обеспечения удаленного электропитания оптических сетевых терминалов через оптоволоконный кабель

Целью публикации является исследование возможности и определение вероятности удалённого электропитания оптических линейных терминалов (OLT) и оптических сетевых терминалов (ONT) для Гигабитных Пассивных Оптических Сетей (GiPON). Отмечено, что ранее в ТфОП, обеспечивалось удалённое электропитание оконечного оборудования. Данный сервис позволял использовать телефон в случае пропадания энергоснабжения. Выявлено, что при переходе на оптоволоконные технологии энергоснабжение оконечного оборудования не осуществляется. Показано, что это снижает качество восприятия телефонных услуг и неприемлемо в экстренных ситуациях. Рассмотрена возможность обеспечения гарантированного энергоснабжения ONT, посредством передачи электроэнергии по оптоволоконному кабелю и расчёта вероятности её осуществления. Исследована новая технология передачи электроэнергии по оптоволокну Power over Fiber (PoF), позволяющая снабжать энергией удаленные электронные устройства, подключенные только оптоволоконным кабелем. Анализ сторонних исследований показал, что технология PoF обеспечивает доставку электроэнергии, не влияя на передачу данных через тот же самый оптический кабель. Предложена адаптация математического аппарата, апробированного в опубликованных ранее результатах исследований, позволяющая определить вероятность функционирования произвольного ONT на случайно выбранном оптоволоконном кабеле. Возможно применение данных материалов для оценки возможности электропитания устройств, осуществляющих связь при помощи видимого света.

Внедрение технологии Gigabit Passive Optical Network (GiPON) обеспечивает весь спектр услуг связи, однако, существовавшее ранее удалённое электропитание оконечного оборудования, позволявшее пользоваться телефонной связью при перерывах в энергоснабжении, не будет осуществляться. Это неприемлемо в экстренных ситуациях, когда связь особенно необходима. Для обеспечения связи при перерывах в энергоснабжении можно осуществить передачу электроэнергии по оптоволоконному кабелю. Известно, что передача большой мощности по оптоволоконному кабелю вызывает его быстрое старение. Однако передача энергии требуется только при внештатных ситуациях – пропадании энергоснабжения.

Основная идея архитектуры сети GiPON – использование одного приёмопередающего модуля в оптическом линейном терминале – Optical Line Terminal (OLT) для передачи информации множеству абонентских устройств, оптических сетевых терминалов – Optical Network Terminal (ONT) (в терминологии International Telecommunication Union (ITU-T) и приёма информации от них. Главное достоинство технологии GiPON – отсутствие необходимости прокладки кабеля от станции до каждого абонента. Число абонентских узлов ONT, подключенных к одному приёмопередающему модулю OLT, определяется мощностью и максимальной скоростью приёмопередающей аппаратуры. Для передачи потока информации от OLT к ONT – прямого потока, используется длина волны 1490 нм. Потоки данных от разных абонентских узлов в центральный узел, совместно образующие обратный поток, передаются на длине волны 1310 нм [1]. Передача телевизионного сигнала осуществляется на длине волны 1550 нм, имеющее низкое погонное (километрическое) затухание 0,2–0,35 дБ. Требования к существующим оптоволоконным кабелям приведены в [2–5].

Для удаленного электропитания OLT возможно использовать смешанный кабель, который наряду с оптическими волокнами оснащается медным проводящим элементом. Использовать его для электропитания ONT нецелесообразно, поскольку потребуется замена всей существующей абонентской проводки. Вместо этого можно осуществить передачу энергии по оптоволоконному кабелю, с её последующим преобразованием в электрическую.

Компания LaserMotive исследует возможности передачи энергии через оптоволоконный кабель. Система использует лазер для преобразования электрической энергии на входе в энергию света, который передается через оптическое волокно. Фотогальванический элемент-приемник, установленный на другом конце оптической линии, преобразует энергию света в электрическую энергию. На базе своей технологии компанией LaserMotive создана линия продуктов Power over Fiber (PoF), которая позволит с помощью лазера снабжать энергией удаленные электронные устройства. Новая система компании LaserMotive, получившая название «Micro-PoF», обеспечивает передачу до 10 Ватт энергии на расстояние до 1000 метров, не влияя на передачу данных через тот же самый оптический кабель. В табл. 1 приведены потери мощности при передаче энергии по оптическому каналу связи [6].

Таблица 1

Потери мощности при передаче энергии
по оптическому каналу связи

Современные оптические линии прокладываются по топологии ТфОП, поэтому для определения их длин возможно использовать существующее распределение длин абонентских линий (АЛ). Используя существующее распределение длин АЛ ТфОП в России, построена (рис. 1) функция распределения вероятности затуханий типового оптоволоконного канала связи на длине волны 1550 нм.

Полное затухание оптоволоконного канала связи определяется из [7] по формуле (1):

где ∝– коэффициент затухания волокна кабеля в линии; L  – длина линии; ∝_s – среднее затухание на сростках; x  – число сростков на линии; ∝_c – среднее затухание, обусловленное линейными соединителями; y  – число линейных соединителей (если таковые имеются).

Рис 1. Функция распределения вероятности затуханий типового оптоволоконного канала связи на длине волны 1550 нм, полученное на основе распределение длин АЛ ТфОП в России

С учётом затухания на устройствах подключения электропитания аппаратуры в формулу (1) впервые вводится коэффициент затухания (2):

где ∝_a – коэффициент затухания на устройстве подключения электропитания аппаратуры OLT и ONT.

Кривая распределения мощностей, обеспечиваемых посредством оптоволоконного кабеля (используемого на замену медных абонентских линий), аппроксимируется нормальным законом распределения [8], следовательно, функция плотности распределения мощностей, обеспечиваемых посредством оптоволоконного кабеля (3):

Тогда, функция распределения вероятности мощностей, обеспечиваемых посредством оптоволоконного кабеля (4):

Для определения вероятности функционирования оборудования OLT можно непосредственно использовать материалы, изложенные в [8–10]. Для осуществления электропитания ONT посредством оптоволоконного кабеля и определения вероятности его функционирования необходима модификация формул, представленных в материалах [8–11].

В ходе исследований было показано соответствие нормальному закону распределения токов потребляемых ONT, используемых на сетях GiPON. Измерения ONT различных фирм, показали отклонение в их энергопотреблении, оценка которых выполнена в работе. Значения измеренных токов потребления ONT для сетей GiPON: объединены в разряды, которым присвоены номера – m ; выбраны границы разрядов – i_m÷i_m+1 ; число интервалов в разряде – среднее значение в разряде – /_im ; первый начальный момент (математическое ожидание) в разряде второй начальный момент в разряде найден второй начальный момент случайной величины – вычислена дисперсия – D(i)=M(i²)-(M(i))² ; найдено среднее квадратическое отклонение – рассчитан коэффициент вариации – .

Построенный статистический ряд, наиболее близок к нормальному закону распределения случайной величины, оценить это предположение позволил критерий согласия К. Пирсона (критерий «хи-квадрат» χ2 ). Критерий согласия χ2  служит для проверки гипотезы о согласованности теоретического и статистического распределений, исходя из расхождений между теоретическими вероятностями Pm  и относительными частотами Pm* . Вычисляется, получаемое из формулы (5) наблюдаемое значение критерия:

где j_m=P_m*∙n – число значений случайной величины в разряде; n  – количество наблюдений; P_m  – теоретическая вероятность, принимается в соответствии с нормальным законом распределения случайной величины. Теоретическую вероятность P_m разрядов определённой величины в их общей совокупности, возможно, определить из формулы (6):

где F(t_m) и F(t_m-1) – функция закона распределения, для нормального закона распределения (7) можно использовать табличные значения интеграла Лапласа.

Распределение χ² зависит от параметра r , называемого числом степеней свободы распределения (8) и равного разности между числом разрядов и числом независимых условий (связей), наложенных на частоты P_m* :

где k  – число разрядов, на которое разбивается общее число наблюдений; s  – число наложенных связей (число параметров предполагаемого теоретического закона распределения). Число наложенных связей для нормального закона распределения случайной величины равно трём (P_m*=1  – сумма частот всех разрядов, Mi  – математическое ожидание и σ_i

По таблице интегралов Лапласа определена вероятность совпадения теоретического и практического распределений для вычисленных χ²  и r, свидетельствующая о правдоподобии выдвинутой гипотезы и возможности аппроксимации нормальным законом распределения токов, а следовательно и мощности потребляемой ONT для сетей GiPON.

Следовательно, функция плотности вероятности распределения мощности потребления ONT определяется по формуле (9):

Тогда функция распределения вероятности мощности потребления ONT можно найти из [9] по формуле (10):

Для определения вероятности функционирования случайно выбранного ONT на произвольном оптическом канале связи – VER_функ.  [10] необходимо найти произведение функций распределения вероятностей (11) мощностей потребления – F_пот.P_пот.  и обеспечения – Fобесп.Pобесп. :

Вероятность того, что произвольно выбранный оптический канал связи, обеспечит необходимую для функционирования случайно выбранного ONT мощность, выражается через функцию распределения вероятности по формуле (12):

Выводы

1.      Технология GiPON не обеспечивает удалённое электропитание оконечного оборудования ONT при перерывах в энергоснабжении, что снижает качество восприятия (QoE) телефонных услуг связи и неприемлемо в экстренных ситуациях.

2.       Существует возможность удалённого электропитания ONT по оптоволоконному кабелю, не влияющая на передаваемые по нему данные, и способ оценки вероятности её осуществления.

3.       Операторы связи, не осуществляющие удалённое электропитание ONT, не вправе декларировать аптайм с доступностью 99,999%, поскольку не учитывают аптайм компании, обеспечивающих энергоснабжение пользователя.

4.      При современных технологиях КПД электропитания ONT посредством оптоволоконного кабеля составляет 25% от передаваемой мощности.

5.       Введенный в формулу расчёта затухания оптоволоконного канала связи коэффициент затухания на устройстве подключения электропитания аппаратуры ONT, позволит определить полную потерю передаваемой мощности.