Sistema inteligente de monitoração óptica para gerenciamento e localização de falhas em redes DWDM João Batista Rosolem*, Cláudio Floridia, Milton Ben-Hur Faber, Juliano Rodrigues Fernandes de Oliveira, Ronaldo Ferreira da Silva, Jaime Alexandre Matiuso, Alberto Paradisi, Roberto Arradi, Antônio Amauri Juriollo, Júlio César Martins Descrevemos neste artigo um sistema inteligente de monitoração para a camada óptica que permite o completo gerenciamento de falhas e degradações dos sistemas baseados em multiplexação em comprimentos de onda. Este sistema permite a localização exata da causa da degradação na camada física antes que o sistema DWDM pare de operar, otimizando dessa forma a manutenção da planta instalada. Com os resultados obtidos até o presente momento podemos afirmar que esta ferramenta será de grande utilidade para as operadoras de telecomunicações no gerenciamento de suas plantas de curta e longa distância que fazem uso de sistemas DWDM. Palavras-chave: DWDM. Sistemas de gerenciamento. Monitoração óptica. Analisadores de canais ópticos. Introdução São bem conhecidas as vantagens dos sistemas ópticos que utilizam a tecnologia Wavelength Division Multiplexing (WDM). Entre as vantagens de utilização dos sistemas WDM densos (DWDM), podemos citar: a elevação da capacidade de transmissão dos sistemas ópticos, a economia de fibras e equipamentos de transmissão e o aumento da flexibilidade e da “escalabilidade” na operação (IEC WEB PROFORUM, 2006). Nos últimos anos, o rápido crescimento de usuários e serviços providos pela Internet levou as operadoras de telecomunicações a instalar, em grandes proporções, esse tipo de tecnologia. Os sistemas DWDM de longa distância foram os primeiros a serem instalados e permitiram uma drástica redução dos custos de instalação de novas fibras e equipamentos. Os sistemas DWDM submarinos intercontinentais foram posteriormente instalados pelas mesmas razões já citadas. Recentemente, os sistemas WDM alcançaram a área metropolitana da planta de telecomunicações, com paradigmas diferentes dos paradigmas dos sistemas de longa distância. Na área metropolitana, os sistemas WDM de grande espaçamento espectral (CWDM) têm sido mais empregados por oferecerem menor custo (RBN LITERATURE, 2006). Finalmente, a fronteira final está no acesso. Nessa fronteira, novas tecnologias para sistemas WDM utilizando poucos comprimentos de onda estão sendo desenvolvidas para o atendimento de serviços Triple Play (Internet de alta velocidade, televisão e telefonia) em uma única estrutura de conexão banda larga do tipo Passive Optical Network (PON) (GEORGE, 2006). Apesar do emprego de sistemas DWDM em diversas partes da planta óptica, a capacidade plena de gerenciamento da camada óptica DWDM não evoluiu adequadamente. Atualmente, com poucas exceções, os sistemas de gerência dos equipamentos DWDM monitoram apenas as potências ópticas de entrada e saída dos conversores de comprimento de onda (transponders) e a potência total de saída e entrada dos amplificadores. Esse conjunto de parâmetros supervisionados não é suficiente para garantir o bom desempenho da rede. É comum na atualidade, a freqüente manutenção corretiva em redes DWDM em decorrência da variação dos parâmetros dos canais transmitidos. Os canais de sistemas DWDM (portadoras ópticas em freqüências especificadas pelo ITU-T) necessitam ser monitorados quanto a sua potência óptica, razão sinal-ruído e desvio espectral, para que o serviço fim a fim seja garantido (BACH et al., 2004; LOURIE, 2006; VUKOVIC; YANG, 2007). Atualmente, como já mencionado, não é feita a monitoração nesse nível de funcionalidade. O problema se agrava quando ocorre a expansão da rede em número de canais ou aumento de taxas de transmissão. Nesse caso, as margens sistêmicas (em muitas situações já comprometidas em decorrência da degradação da planta física) são reduzidas drasticamente levando o sistema a operar com baixo desempenho. Para resolver tais problemas e dotar as operadoras de um sistema que possua real controle sobre a planta DWDM, detalhamos nesse artigo um sistema inovador que *Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: [email protected]. Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 4, n. 1, p. 53-60, jan./jun. 2008 Sistema inteligente de monitoração óptica para gerenciamento e localização de falhas em redes DWDM chamamos de sistema de inteligência WDM (iWDM) para monitoração e análise de desempenho da camada DWDM. A ferramenta pode identificar, localizar e apontar problemas em subsistemas e no meio físico de forma remota, centralizada e automatizada, otimizar a manutenção preventiva e corretiva das rotas ópticas, viabilizar a expansão de forma segura da capacidade dos sistemas DWDM e avaliar de maneira precisa os efeitos das intervenções na planta óptica. Para tanto, analisamos com mais detalhes na Seção 1 deste artigo os problemas em redes DWDM. Na Seção 2, descrevemos o sistema de inteligência WDM. Na Seção 3, discutimos a implantação prática do sistema de inteligência WDM e, finalmente, apresentamos, na Seção 4, a análise e os resultados obtidos com a implementação. 1 Problemas em redes DWDM Um sistema DWDM de longa distância, conforme Figura 1, é composto por terminais de transmissão com transponders, multiplexadores e demultiplexadores de canais, amplificadores ópticos de potência e pré-amplificadores de linha. Outros elementos presentes são atenuadores ópticos, compensadores de dispersão, multiplexadores de banda, etc. Entre os terminais de transmissão encontram-se os enlaces de fibra óptica entremeados por amplificadores ópticos de linha. A distância máxima entre os terminais pode chegar até 600 km e o espaçamento entre os amplificadores de linha é na média inferior a 80 km. A supervisão dos elementos de linha é feita através do uso de um sinal óptico, cujo comprimento de onda está fora da banda dos canais DWDM (1530 a 1560 nm banda C ou 1570 a 1610 nm banda L), normalmente em 1480, 1510 ou 1625 nm. De forma geral, o ciclo de vida de um sistema DWDM começa pelo seu dimensionamento, seguido pelas fases de implantação, operação e ampliações. A fase de dimensionamento é caracterizada pela escolha da capacidade de transmissão em termos de números de canais (portadoras ópticas) (ITU-T, 1998) e pela taxa máxima de transmissão em Gbit/s. Outras importantes decisões recaem na escolha de fibras dos cabos ópticos que, em geral, já se encontram instalados. Existe um importante vínculo do desempenho do sistema DWDM com o tipo ou com a qualidade da fibra instalada, principalmente para altas taxas de transmissão (acima de 2,5 Gbit/s) (ITU-T, 2000). Normalmente, as fibras dos cabos a serem utilizados são caracterizadas, pelo menos, em termos de atenuação e dispersão do modo de polarização. A fase de implantação do sistema é caracterizada pelo alinhamento do sistema, por 54 meio do deslocamento de técnicos para as estações terminais, onde através de analisadores de espectro óptico, medidores de potência e de geradores de padrão e medidores de taxa de erro, os canais são ajustados. Atualmente, o ajuste da homogeneidade dos canais em termos de potência ou razão sinal-ruído é feito por meio da escolha de atenuadores ópticos fixos que são colocados na saída dos transmissores (transponders). O sistema entra na fase de operação geralmente com poucos canais e com a faixa dinâmica “folgada”. Poucos problemas de operação são esperados nessa fase inicial, porém, ao longo do tempo ocorre a degradação dos elementos ativos e passivos do sistema. Alguns dos problemas típicos são: rompimentos de fibras, emendas ópticas feitas com baixa qualidade, danos em atenuadores, em cordões e conexões ópticas, deslocamento espectral do comprimento de onda de operação dos lasers, entre outros. Esses fatores são em muitos casos causados por uma manutenção de baixa qualidade técnica no sistema. Uma conseqüência é a ocorrência de “desequalização” dos canais ópticos, conforme mostram os gráficos de espectro da Figura 1. A desequalização pode em muitos casos provocar taxa de erros nos canais de menor potência ou de menor razão sinal-ruído, como também nos canais de maior potência quando ocorre saturação dos receptores ópticos. Como nos sistemas de gerência DWDM atuais ainda não são utilizados analisadores de espectro óptico, a visualização desses efeitos não é possível. Atualmente, o recurso utilizado para a avaliação dos elementos ativos do sistema DWDM consiste na monitoração das potências de entrada e saída desses elementos, bem como na monitoração interna dos parâmetros específicos, tais como potência gerada, corrente de polarização de lasers, temperatura de operação, etc. Vale salientar que a potência óptica composta, ou seja, aquela que contém a somatória das potências de todos os canais, não informa sobre o desempenho individual de cada canal. A fase de ampliação de canais pode ter início já com uma rede degradada. Nesse contexto, as margens sistêmicas são reduzidas progressivamente com a degradação dos elementos da planta e com a expansão da rede em número de canais. Em muitos casos, um completo realinhamento do sistema é necessário. As atividades de realinhamento do sistema para ampliação de canais necessitam dos mesmos recursos utilizados na fase de implantação, acrescidos de equipamentos e equipes para avaliação da qualidade da fibra óptica. Os serviços de realinhamento são de alto custo e demorados quando a rede apresenta grande extensão territorial. Um outro problema, não relacionado à Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 4, n. 1, p. 53-60, jan./jun. 2008 Sistema inteligente de monitoração óptica para gerenciamento e localização de falhas em redes DWDM degradação do sistema, porém importante, é o do gerenciamento de canais de terceiros (LOURIE, 2006). Conforme exibido na Figura 1, os canais de terceiros são portadoras ópticas coloridas que provêm de fornecedores distintos e que entram no sistema DWDM diretamente pelo multiplexador. Esses canais não podem ser monitorados pelo sistema de gerência do equipamento DWDM, exigindo das operadoras um grande esforço de integração de gerências. Todos esses fatores, além de outros não relacionados, que dependem da característica de funcionamento analógica dos sistemas DWDM, aumentam a complexidade do gerenciamento integral desses sistemas, criando dificuldades na manutenção da planta, na rápida determinação e localização de elementos com falha ou degradação. 2 Sistema de inteligência WDM Tendo em vista a resolução dos problemas citados na Seção 1, desenvolvemos uma solução denominada Inteligência WDM (iWDM), que tem os seguintes atributos: 1. monitorar o desempenho de cada canal e da potência composta por elementos da planta DWDM; 2. identificar e localizar problemas em subsistemas e no meio físico de forma remota, centralizada e automatizada; 3. otimizar a manutenção preventiva da planta DWDM pela avaliação precisa dos efeitos das intervenções; 4. viabilizar a expansão de forma segura da capacidade da planta DWDM. O sistema iWDM é composto por um núcleo de software principal (ver Figura 2) que tem a função de ler e comparar parâmetros dos sistemas DWDM, tais como: potência composta óptica de entrada e saída dos elementos ativos, potência do terminal transmissor e receptor por canal, razão sinal-ruído óptica dos canais, comprimento de onda e desvio espectral. Os dados de potência composta são lidos na realidade pelo sistema de gerência proprietário do equipamento DWDM e então solicitados pelo sistema iWDM. Os parâmetros espectrais são lidos por analisadores de canais ópticos que coletam os dados nas portas de monitoração dos amplificadores ópticos de potência e do préamplificador. A Tabela 1 exibe o que cada parâmetro lido informa sobre o desempenho da rede. Tabela 1 Parâmetros lidos pelo sistema iWDM e suas correlações com o desempenho da rede Parâmetro monitorado Nível Informações Potência óptica composta Subsistema amplificador Permite localizar o segmento onde ocorreu a degradação Razão sinal-ruído (OSNR) óptica Canal DWDM Mostra a qualidade de operação do canal DWDM Potência óptica por canal Canal DWDM Aponta para problemas em transponders Freqüência óptica Canal DWDM Aponta para problemas em transponders Figura 1 Diagrama de um sistema DWDM ilustrando alguns de seus problemas típicos Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 4, n. 1, p. 53-60, jan./jun. 2008 55 Sistema inteligente de monitoração óptica para gerenciamento e localização de falhas em redes DWDM Tx Rx MUX Gerência do Fornecedor WDM Cabo óptico EDFA Coleta de dados da gerência do equipamento DWDM Unidade de coleta, análise e apresentação de informações EDFA DEMUX EDFA Analisadores de canais ópticos (OCA) i-WDM Rede IP Figura 2 Diagrama do sistema de inteligência iWDM Tabela 2 Exemplos de diagnósticos detectados pelo sistema iWDM 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Diagnósticos Rede parada (automatic shut down) OCA em (Tx) ou cordão do OCA defeituoso Trecho entre multiplexador e OBA com defeito (cordão) Amplificador de potência (OBA) defeituoso Melhoria de potência verificada em (mostrar ponto de melhoria) Sem sinal na entrada do transponder Tx (informar # transponder) Degradação do sinal na entrada do transponder Tx (informar # transponder) Transponder de Tx # com potência baixa (informar # transponders com defeito) Transponder de Tx # com comprimento de onda do laser fora da faixa (informar # transponders com defeito) Trecho entre transponder Tx e multiplexador e com defeito em cordão/atenuador (informar trecho) Pré-amplificador de potência (OPA) defeituoso Trecho entre pré-amplificador (OPA) e o demultiplexador com defeito em cordão/atenuador OCA em (Rx) ou cordão do OCA defeituosos Transponder de Rx defeituoso (informar # transponder) Amplificador de linha # defeituoso (informar amplificador com diminuição de Pout) Cordões/atenuadores/fibra defeituosos no trecho (informar trecho) Trecho entre demultiplexador e transponder Rx # com defeito em cordão/atenuador (informar # transponder) São estabelecidos limiares para esses parâmetros e, uma vez ultrapassados, um algoritmo, que é o cérebro do sistema iWDM, é acionado passando a analisar o causador da degradação. Alguns exemplos de diagnósticos emitidos pelo sistema iWDM são mostrados na Tabela 2. A metodologia desse algoritmo é propriedade do CPqD e uma publicação a respeito encontra-se em elaboração. O algoritmo se baseia na correlação de fatores físicos intrínsecos ao funcionamento de sistemas DWDM (BACH et al.; IEC, 2006; 2004; ITU-T, 2004), bem como no longo aprendizado operacional que o CPqD adquiriu durante o desenvolvimento de sistemas DWDM e a execução de serviços de caracterização de redes ópticas. Para que o sistema iWDM execute todas as suas 56 funcionalidades, além do algoritmo de análise dos dados da gerência do equipamento DWDM e dos dados dos monitores de canais, ele deve possuir um sistema de cadastro que permita que todos os elementos da planta DWDM sejam inseridos, começando no nível inferior de cadastro, tal como a posição de unidades, subindo para os níveis superiores, tais como: sub-bastidor, bastidor, fila, sala, andar, estação, bairro, cidade, anel, etc. A implantação do sistema iWDM nas operadoras de telecomunicações traz os seguintes benefícios: • redução dos custos de operação e manutenção; • acompanhamento constante e automatizado da manutenção no meio físico e nos equipamentos; Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 4, n. 1, p. 53-60, jan./jun. 2008 Sistema inteligente de monitoração óptica para gerenciamento e localização de falhas em redes DWDM • monitoração centralizada e remota do estado da rede; manutenção preventiva da rede, antecipando e evitando várias falhas graves; expansão da rede DWDM, minimizando os riscos técnicos e protegendo o capital investido; suporte a ambiente multifornecedor. 3 Implementação do sistema iWDM • • • A concepção do sistema iWDM no CPqD foi implementada através de três linhas de atividades: desenvolvimento do monitor de canais, desenvolvimento do algoritmo de análise de falhas e degradações e desenvolvimento do software de demonstração conceitual. O monitor de canais (OCA) é o equipamento que permite a visualização do espectro óptico com a presença das portadoras transmitidas e recebidas. Esse equipamento, diferentemente dos analisadores de espectro óptico de laboratório, é destinado ao uso em sistemas de telecomunicações, apresentando funcionalidades e custo reduzido. O equipamento desenvolvido baseia-se no uso de tecnologias modulares comerciais. A estratégia adotada é a da integração do módulo OCA com módulos de processamento de dados baseados no sistema operacional Linux, com módulo de chaveamento óptico para a leitura de diversos sistemas DWDM na mesma estação e de módulo de comunicação Ethernet. Dessa forma, várias rotas podem ser analisadas pelo mesmo equipamento. O módulo OCA comercial utiliza a tecnologia de fibra de Bragg (Blazed FBG) e matriz de fotodetectores para ler o espectro óptico da banda C (1528 nm a 1568 nm). A precisão do equipamento na leitura de comprimento de onda é de 50 pm e a precisão de potência lida é de 0.5 dB. A faixa de medição da razão sinal-ruído óptica é de 10 a 28 dB. O tempo de leitura de toda a banda espectral da banda C é inferior a 100 ms. O módulo de chaveamento óptico utiliza tecnologia MEMS e, de acordo com a aplicação, pode possuir até 8 portas ópticas de entrada para uma de saída. O módulo de processamento de dados possui microprocessador de 32 bits, operando em 50 MHz de freqüência de relógio e 8 Mbit/s de memória Flash. Esse módulo possui embutido o sistema operacional Linux que realiza algumas operações com os dados enviados pelo módulo OCA antes de exteriorizá-los. Em aplicações futuras o mesmo módulo de processamento poderá realizar parte do processamento do algoritmo iWDM localmente. O módulo OCA, já integrado com todos esses módulos exterioriza os dados via interface Ethernet 10BaseT ou via interface serial. A Figura 3 mostra uma foto do OCA desenvolvido. O algoritmo de análise de falhas, conforme já comentado, foi desenvolvido com fundamentos baseados na correlação de fatores físicos intrínsecos ao funcionamento de sistemas DWDM e em procedimentos de manutenção surgidos do longo aprendizado operacional que o CPqD adquiriu ao longo do tempo no desenvolvimento de sistemas DWDM e nos serviços de caracterização de redes ópticas. O software de demonstração conceitual, cuja janela é mostrada na Figura 4, foi desenvolvido para demonstrar a viabilidade do conceito iWDM. Basicamente o software lê em um arquivo tipo texto, criado pela gerência do equipamento DWDM, as variáveis potência de entrada e saída de cada módulo ativo, bem como a identificação dos módulos ao longo da rota óptica. Além disso, o software de demonstração funcional também lê as variáveis do OCA de cada canal, que são: potência, razão sinal-ruído e comprimento de onda. Figura 3 Foto do analisador de canais ópticos desenvolvido para uso no sistema iWDM Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 4, n. 1, p. 53-60, jan./jun. 2008 57 Sistema inteligente de monitoração óptica para gerenciamento e localização de falhas em redes DWDM Figura 4 Janela do software de demonstração do sistema iWDM O software de demonstração funcional consegue extrair a partir destes dados, de um cadastro simplificado e de valores de limiares dos parâmetros fixados pelo usuário, informações de grande importância para a operação da rede. Essas informações são mostradas na Figura 4. Na parte superior da janela um gráfico exibe o elemento do sistema afetado através de um diagrama. Ainda na parte superior, à direita, um sinalizador informa sobre os alarmes no sistema. Na parte esquerda da janela, são inseridos os valores de limiares do sistema. Na parte central, são mostrados os valores de desempenho dos canais antes e depois das ocorrências e, na parte direita da janela, a localização precisa do elemento com falha. O software de demonstração conceitual foi desenvolvido em linguagem C/C++. 4 Resultados As três partes que compõem o sistema iWDM (monitor de canais, algoritmo de análise de falhas e degradações e o software de demonstração conceitual) foram desenvolvidas e testadas inicialmente no CPqD. Para tanto se utilizou de forma acoplada planilhas simuladas de sistemas de gerência de equipamento DWDM comerciais, simulador de efeitos para sistemas DWDM, sistema de transmissão DWDM experimental compacto (ver Figura 5) e equipamentos OCAs desenvolvidos no CPqD. Todos esses elementos foram adequadamente ajustados para garantir a maior veracidade 58 possível de dados em relação a um sistema real. Em todos os testes realizados no CPqD, o sistema funcionou adequadamente, diagnosticando todos os defeitos previstos. Posteriormente, o sistema foi testado em campo em uma operadora de telecomunicações. O enlace de fibras utilizado no teste possuía um comprimento de 360 km e o sistema DWDM continha três amplificadores de linha, um amplificador de potência e um pré-amplificador. O teste foi conduzido com 6 canais ópticos em operação. Para testar o sistema, o cordão óptico de saída de um transponder de transmissão foi atenuado em 5 dB. O sistema iWDM detectou e localizou com sucesso este evento de degradação forçada. Além da detecção de falhas, o sistema apresentou também excelente desempenho na monitoração em tempo real dos parâmetros dos canais ópticos. A Figura 6 apresenta um exemplo de espectro medido pelo OCA e mostrado pelo sistema iWDM. Atualmente, um novo teste de campo está sendo conduzido em uma nova operadora de telecomunicações envolvendo uma quantidade maior de enlaces a serem monitorados. A próxima etapa de desenvolvimento deverá ser a da implementação de um software de maior porte que tenha capacidade de cadastro dos elementos de diversas rotas. O desempenho do sistema frente a novas tecnologias de rede, tais como amplificadores Raman, amplificadores com controle de ganho e Reconfigurable Optical Add and Drop Multiplexers (ROADMs) também será avaliado. Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 4, n. 1, p. 53-60, jan./jun. 2008 Sistema inteligente de monitoração óptica para gerenciamento e localização de falhas em redes DWDM Figura 5 Sistema de transmissão DWDM experimental compacto Figura 6 Espectro medido pelo OCA e apresentado pelo sistema iWDM Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 4, n. 1, p. 53-60, jan./jun. 2008 59 Sistema inteligente de monitoração óptica para gerenciamento e localização de falhas em redes DWDM Conclusão Acesso em: 10 ago. 2006. Um sistema de monitoração para a camada óptica que permite o completo gerenciamento do desempenho dos sistemas baseados em multiplexação em comprimentos de onda foi desenvolvido e testado. Os resultados obtidos, até o presente momento, permitem afirmar que esta ferramenta será de grande utilidade para as operadoras de telecomunicações no gerenciamento e localização de falhas e degradações de suas plantas de curta e longa distância que fazem uso de sistemas DWDM. ITU TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION SECTOR (ITU-T). Recommendation G.692: Optical Interface for Multichannel Systems with Optical Amplifiers. Genebra, 1998. Referências BACH, R., BLUMENTHAL, D.J., EINSTEIN D., KILPER, D.C., Optical Performance Monitoring. Journal of Lightwave Technology, v. 22, n. 1, p. 294-304, jan. 2004. GEORGE, J., Designing Passive Optical Networks for Cost Effective Triple Play Support. Disponível em: < http://www.ofsoptics.com/resources/poncosteffect ivetripleplay.pdf> Acesso em: 10 ago. 2006. INTERNATIONAL ENGINEERING CONSORTIUM (IEC). Web Proforum Tutorials. Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM). Disponível em: <http://www.iec.org/online/tutorials/dwdm/> ITU TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION SECTOR (ITU-T). Recommendation G.662: Generic characteristics of optical amplifier devices and subsystems. Genebra, 2000. ITU TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION SECTOR (ITU-T). Recommendation G.697: Optical monitoring for DWDM systems. Genebra, 2004. LOURIE, M., Channel Monitors offer key DWDM building block. Lightwave, v. 23, n. 1, p.15 e 1819, jan. 2006. RBN LITERATURE. Characteristics of CWDM. Disponível em: < http://www.rbni.com/rbn_cwdm_tech_paper1_20sep02.pdf> Acesso em: 10 ago. 2006. VUKOVIC, A., YANG, W., Real Time Performance Monitoring Benefits Reconfigurable Optical Networks. Lightwave, p.1, 11, 12, 13, 40 e 18-19, fev. 2007. Abstract In this work, we describe an optical layer monitoring system which allows the management of failures and degradations in wavelength division multiplexing systems. The obtained results show that such a tool can be very important for Telecom Companies, aiming to monitor their short and long distance optical plants which use DWDM systems. Key words: DWDM. Management system. Optical monitoring. Optical channel analyzers. 60 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 4, n. 1, p. 53-60, jan./jun. 2008