Sistema inteligente de monitoração óptica para gerenciamento e localização de falhas em redes DWDM

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1 Sistema inteligente monitoração óptica para gerenciamento e localização falhas em res DWDM João Batista Rosolem*, Cláudio Floridia, Milton Ben-Hur Faber, Juliano Rodrigues Fernans Oliveira, Ronaldo Ferreira da Silva, Jaime Alexandre Matiuso, Alberto Paradisi, Roberto Arradi, Antônio Amauri Juriollo, Júlio César Martins Descrevemos neste artigo um sistema inteligente monitoração para a camada óptica que permite o completo gerenciamento falhas e gradações dos sistemas baseados em multiplexação em comprimentos onda. Este sistema permite a localização exata da causa da gradação na camada física antes que o sistema DWDM pare operar, otimizando ssa forma a manutenção da planta instalada. Com os resultados obtidos até o presente momento pomos afirmar que esta ferramenta será gran utilida para as operadoras telecomunicações no gerenciamento suas plantas curta e longa distância que fazem uso sistemas DWDM. Palavras-chave: DWDM. Sistemas gerenciamento. Monitoração óptica. Analisadores canais ópticos. Introdução São bem conhecidas as vantagens dos sistemas ópticos que utilizam a tecnologia Wavelength Division Multiplexing (WDM). Entre as vantagens utilização dos sistemas WDM nsos (DWDM), pomos citar: a elevação da capacida transmissão dos sistemas ópticos, a economia fibras e equipamentos transmissão e o aumento da flexibilida e da escalabilida na operação (IEC WEB PROFORUM, 2006). Nos últimos anos, o rápido crescimento usuários e serviços providos pela Internet levou as operadoras telecomunicações a instalar, em grans proporções, esse tipo tecnologia. Os sistemas DWDM longa distância foram os primeiros a serem instalados e permitiram uma drástica redução dos custos instalação 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 telecomunicações, com paradigmas diferentes dos paradigmas dos sistemas longa distância. Na área metropolitana, os sistemas WDM gran 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 onda estão sendo senvolvidas para o atendimento serviços Triple Play (Internet alta velocida, televisão e telefonia) em uma única estrutura conexão banda larga do tipo Passive Optical Network (PON) (GEORGE, 2006). Apesar do emprego sistemas DWDM em diversas partes da planta óptica, a capacida plena gerenciamento da camada óptica DWDM não evoluiu aquadamente. Atualmente, com poucas exceções, os sistemas gerência dos equipamentos DWDM monitoram apenas as potências ópticas entrada e saída dos conversores comprimento onda (transponrs) e a potência total saída e entrada dos amplificadores. Esse conjunto parâmetros supervisionados não é suficiente para garantir o bom sempenho da re. É comum na atualida, a freqüente manutenção corretiva em res DWDM em corrência da variação dos parâmetros dos canais transmitidos. Os canais sistemas DWDM (portadoras ópticas em freqüências especificadas pelo ITU-T) necessitam ser monitorados quanto a sua potência óptica, razão sinal-ruído e svio 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 funcionalida. O problema se agrava quando ocorre a expansão da re em número canais ou aumento taxas transmissão. Nesse caso, as margens sistêmicas (em muitas situações já comprometidas em corrência da gradação da planta física) são reduzidas drasticamente levando o sistema a operar com baixo sempenho. Para resolver tais problemas e dotar as operadoras um sistema que possua real controle sobre a planta DWDM, talhamos nesse artigo um sistema inovador que *Autor a quem a correspondência ve ser dirigida: rosolem@cpqd.com.br.

2 chamamos sistema inteligência WDM (iwdm) para monitoração e análise sempenho da camada DWDM. A ferramenta po intificar, localizar e apontar problemas em subsistemas e no meio físico forma remota, centralizada e automatizada, otimizar a manutenção preventiva e corretiva das rotas ópticas, viabilizar a expansão forma segura da capacida dos sistemas DWDM e avaliar maneira precisa os efeitos das intervenções na planta óptica. Para tanto, analisamos com mais talhes na Seção 1 ste artigo os problemas em res DWDM. Na Seção 2, screvemos o sistema inteligência WDM. Na Seção 3, discutimos a implantação prática do sistema inteligência WDM e, finalmente, apresentamos, na Seção 4, a análise e os resultados obtidos com a implementação. 1 Problemas em res DWDM Um sistema DWDM longa distância, conforme Figura 1, é composto por terminais transmissão com transponrs, multiplexadores e multiplexadores canais, amplificadores ópticos potência e pré-amplificadores linha. Outros elementos presentes são atenuadores ópticos, compensadores dispersão, multiplexadores banda, etc. Entre os terminais transmissão encontram-se os enlaces fibra óptica entremeados por amplificadores ópticos linha. A distância máxima entre os terminais po chegar até 600 km e o espaçamento entre os amplificadores linha é na média inferior a 80 km. A supervisão dos elementos linha é feita através do uso um sinal óptico, cujo comprimento 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 vida um sistema DWDM começa pelo seu dimensionamento, seguido pelas fases implantação, operação e ampliações. A fase dimensionamento é caracterizada pela escolha da capacida transmissão em termos números canais (portadoras ópticas) (ITU-T, 1998) e pela taxa máxima transmissão em Gbit/s. Outras importantes cisões recaem na escolha fibras dos cabos ópticos que, em geral, já se encontram instalados. Existe um importante vínculo do sempenho do sistema DWDM com o tipo ou com a qualida da fibra instalada, principalmente para altas taxas transmissão (acima 2,5 Gbit/s) (ITU-T, 2000). Normalmente, as fibras dos cabos a serem utilizados são caracterizadas, pelo menos, em termos atenuação e dispersão do modo polarização. A fase implantação do sistema é caracterizada pelo alinhamento do sistema, por 54 meio do slocamento técnicos para as estações terminais, on através analisadores espectro óptico, medidores potência e geradores padrão e medidores taxa erro, os canais são ajustados. Atualmente, o ajuste da homogeneida dos canais em termos potência ou razão sinal-ruído é feito por meio da escolha atenuadores ópticos fixos que são colocados na saída dos transmissores (transponrs). O sistema entra na fase operação geralmente com poucos canais e com a faixa dinâmica folgada. Poucos problemas operação são esperados nessa fase inicial, porém, ao longo do tempo ocorre a gradação dos elementos ativos e passivos do sistema. Alguns dos problemas típicos são: rompimentos fibras, emendas ópticas feitas com baixa qualida, danos em atenuadores, em cordões e conexões ópticas, slocamento espectral do comprimento onda operação dos lasers, entre outros. Esses fatores são em muitos casos causados por uma manutenção baixa qualida técnica no sistema. Uma conseqüência é a ocorrência sequalização dos canais ópticos, conforme mostram os gráficos espectro da Figura 1. A sequalização po em muitos casos provocar taxa erros nos canais menor potência ou menor razão sinal-ruído, como também nos canais maior potência quando ocorre saturação dos receptores ópticos. Como nos sistemas gerência DWDM atuais ainda não são utilizados analisadores espectro óptico, a visualização sses efeitos não é possível. Atualmente, o recurso utilizado para a avaliação dos elementos ativos do sistema DWDM consiste na monitoração das potências entrada e saída sses elementos, bem como na monitoração interna dos parâmetros específicos, tais como potência gerada, corrente polarização lasers, temperatura operação, etc. Vale salientar que a potência óptica composta, ou seja, aquela que contém a somatória das potências todos os canais, não informa sobre o sempenho individual cada canal. A fase ampliação canais po ter início já com uma re gradada. Nesse contexto, as margens sistêmicas são reduzidas progressivamente com a gradação dos elementos da planta e com a expansão da re em número canais. Em muitos casos, um completo realinhamento do sistema é necessário. As atividas realinhamento do sistema para ampliação canais necessitam dos mesmos recursos utilizados na fase implantação, acrescidos equipamentos e equipes para avaliação da qualida da fibra óptica. Os serviços realinhamento são alto custo e morados quando a re apresenta gran extensão territorial. Um outro problema, não relacionado à

3 gradação do sistema, porém importante, é o do gerenciamento canais terceiros (LOURIE, 2006). Conforme exibido na Figura 1, os canais terceiros são portadoras ópticas coloridas que provêm fornecedores distintos e que entram no sistema DWDM diretamente pelo multiplexador. Esses canais não pom ser monitorados pelo sistema gerência do equipamento DWDM, exigindo das operadoras um gran esforço integração gerências. Todos esses fatores, além outros não relacionados, que penm da característica funcionamento analógica dos sistemas DWDM, aumentam a complexida do gerenciamento integral sses sistemas, criando dificuldas na manutenção da planta, na rápida terminação e localização elementos com falha ou gradação. 2 Sistema inteligência WDM Tendo em vista a resolução dos problemas citados na Seção 1, senvolvemos uma solução nominada Inteligência WDM (iwdm), que tem os seguintes atributos: 1. monitorar o sempenho cada canal e da potência composta por elementos da planta DWDM; 2. intificar e localizar problemas em subsistemas e no meio físico forma remota, centralizada e automatizada; 3. otimizar a manutenção preventiva da planta DWDM pela avaliação precisa dos efeitos das intervenções; 4. viabilizar a expansão forma segura da capacida da planta DWDM. O sistema iwdm é composto por um núcleo software principal (ver Figura 2) que tem a função ler e comparar parâmetros dos sistemas DWDM, tais como: potência composta óptica entrada e saída dos elementos ativos, potência do terminal transmissor e receptor por canal, razão sinal-ruído óptica dos canais, comprimento onda e svio espectral. Os dados potência composta são lidos na realida pelo sistema gerência proprietário do equipamento DWDM e então solicitados pelo sistema iwdm. Os parâmetros espectrais são lidos por analisadores canais ópticos que coletam os dados nas portas monitoração dos amplificadores ópticos potência e do préamplificador. A Tabela 1 exibe o que cada parâmetro lido informa sobre o sempenho da re. Tabela 1 Parâmetros lidos pelo sistema iwdm e suas correlações com o sempenho da re Parâmetro monitorado Nível Informações Potência óptica composta Subsistema amplificador Permite localizar o segmento on ocorreu a gradação Razão sinal-ruído (OSNR) óptica Canal DWDM Mostra a qualida operação do canal DWDM Potência óptica por canal Canal DWDM Aponta para problemas em transponrs Freqüência óptica Canal DWDM Aponta para problemas em transponrs Figura 1 Diagrama um sistema DWDM ilustrando alguns seus problemas típicos 55

4 Tx Rx MUX Gerência do Fornecedor WDM Cabo óptico EDFA Coleta dados da gerência do equipamento DWDM Unida coleta, análise e apresentação informações EDFA DEMUX EDFA Analisadores canais ópticos (OCA) i-wdm Re IP Figura 2 Diagrama do sistema inteligência iwdm Tabela 2 Exemplos diagnósticos tectados pelo sistema iwdm Diagnósticos Re parada (automatic shut down) OCA em (Tx) ou cordão do OCA feituoso Trecho entre multiplexador e OBA com feito (cordão) Amplificador potência (OBA) feituoso Melhoria potência verificada em (mostrar ponto melhoria) Sem sinal na entrada do transponr Tx (informar # transponr) Degradação do sinal na entrada do transponr Tx (informar # transponr) Transponr Tx # com potência baixa (informar # transponrs com feito) Transponr Tx # com comprimento onda do laser fora da faixa (informar # transponrs com feito) Trecho entre transponr Tx e multiplexador e com feito em cordão/atenuador (informar trecho) Pré-amplificador potência (OPA) feituoso Trecho entre pré-amplificador (OPA) e o multiplexador com feito em cordão/atenuador OCA em (Rx) ou cordão do OCA feituosos Transponr Rx feituoso (informar # transponr) Amplificador linha # feituoso (informar amplificador com diminuição Pout) Cordões/atenuadores/fibra feituosos no trecho (informar trecho) Trecho entre multiplexador e transponr Rx # com feito em cordão/atenuador (informar # transponr) 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 gradação. Alguns exemplos diagnósticos emitidos pelo sistema iwdm são mostrados na Tabela 2. A metodologia sse algoritmo é proprieda do CPqD e uma publicação a respeito encontra-se em elaboração. O algoritmo se baseia na correlação fatores físicos intrínsecos ao funcionamento sistemas DWDM (BACH et al.; IEC, 2006; 2004; ITU-T, 2004), bem como no longo aprendizado operacional que o CPqD adquiriu durante o senvolvimento sistemas DWDM e a execução serviços caracterização res ópticas. Para que o sistema iwdm execute todas as suas 56 funcionalidas, além do algoritmo análise dos dados da gerência do equipamento DWDM e dos dados dos monitores canais, ele ve possuir um sistema cadastro que permita que todos os elementos da planta DWDM sejam inseridos, começando no nível inferior cadastro, tal como a posição unidas, subindo para os níveis superiores, tais como: sub-bastidor, bastidor, fila, sala, andar, estação, bairro, cida, anel, etc. A implantação do sistema iwdm nas operadoras telecomunicações traz os seguintes benefícios: redução dos custos operação e manutenção; acompanhamento constante e automatizado da manutenção no meio físico e nos equipamentos;

5 monitoração centralizada e remota do estado da re; manutenção preventiva da re, antecipando e evitando várias falhas graves; expansão da re 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 três linhas atividas: senvolvimento do monitor canais, senvolvimento do algoritmo análise falhas e gradações e senvolvimento do software monstração conceitual. O monitor 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 espectro óptico laboratório, é stinado ao uso em sistemas telecomunicações, apresentando funcionalidas e custo reduzido. O equipamento senvolvido baseia-se no uso tecnologias modulares comerciais. A estratégia adotada é a da integração do módulo OCA com módulos processamento dados baseados no sistema operacional Linux, com módulo chaveamento óptico para a leitura diversos sistemas DWDM na mesma estação e módulo comunicação Ethernet. Dessa forma, várias rotas pom ser analisadas pelo mesmo equipamento. O módulo OCA comercial utiliza a tecnologia fibra Bragg (Blazed FBG) e matriz fototectores para ler o espectro óptico da banda C (1528 nm a 1568 nm). A precisão do equipamento na leitura comprimento onda é 50 pm e a precisão potência lida é 0.5 db. A faixa medição da razão sinal-ruído óptica é 10 a 28 db. O tempo leitura toda a banda espectral da banda C é inferior a 100 ms. O módulo chaveamento óptico utiliza tecnologia MEMS e, acordo com a aplicação, po possuir até 8 portas ópticas entrada para uma saída. O módulo processamento dados possui microprocessador 32 bits, operando em 50 MHz freqüência relógio e 8 Mbit/s memória Flash. Esse módulo possui embutido o sistema operacional Linux que realiza algumas operações com os dados enviados pelo módulo OCA antes exteriorizá-los. Em aplicações futuras o mesmo módulo processamento porá 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 senvolvido. O algoritmo análise falhas, conforme já comentado, foi senvolvido com fundamentos baseados na correlação fatores físicos intrínsecos ao funcionamento sistemas DWDM e em procedimentos manutenção surgidos do longo aprendizado operacional que o CPqD adquiriu ao longo do tempo no senvolvimento sistemas DWDM e nos serviços caracterização res ópticas. O software monstração conceitual, cuja janela é mostrada na Figura 4, foi senvolvido para monstrar a viabilida do conceito iwdm. Basicamente o software lê em um arquivo tipo texto, criado pela gerência do equipamento DWDM, as variáveis potência entrada e saída cada módulo ativo, bem como a intificação dos módulos ao longo da rota óptica. Além disso, o software monstração funcional também lê as variáveis do OCA cada canal, que são: potência, razão sinal-ruído e comprimento onda. Figura 3 Foto do analisador canais ópticos senvolvido para uso no sistema iwdm 57

6 Figura 4 Janela do software monstração do sistema iwdm O software monstração funcional consegue extrair a partir stes dados, um cadastro simplificado e valores limiares dos parâmetros fixados pelo usuário, informações gran importância para a operação da re. Essas informações são mostradas na Figura 4. Na parte superior da janela um gráfico exibe o elemento do sistema afetado através 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 limiares do sistema. Na parte central, são mostrados os valores sempenho dos canais antes e pois das ocorrências e, na parte direita da janela, a localização precisa do elemento com falha. O software monstração conceitual foi senvolvido em linguagem C/C++. 4 Resultados As três partes que compõem o sistema iwdm (monitor canais, algoritmo análise falhas e gradações e o software monstração conceitual) foram senvolvidas e testadas inicialmente no CPqD. Para tanto se utilizou forma acoplada planilhas simuladas sistemas gerência equipamento DWDM comerciais, simulador efeitos para sistemas DWDM, sistema transmissão DWDM experimental compacto (ver Figura 5) e equipamentos OCAs senvolvidos no CPqD. Todos esses elementos foram aquadamente ajustados para garantir a maior veracida 58 possível dados em relação a um sistema real. Em todos os testes realizados no CPqD, o sistema funcionou aquadamente, diagnosticando todos os feitos previstos. Posteriormente, o sistema foi testado em campo em uma operadora telecomunicações. O enlace fibras utilizado no teste possuía um comprimento 360 km e o sistema DWDM continha três amplificadores linha, um amplificador potência e um pré-amplificador. O teste foi conduzido com 6 canais ópticos em operação. Para testar o sistema, o cordão óptico saída um transponr transmissão foi atenuado em 5 db. O sistema iwdm tectou e localizou com sucesso este evento gradação forçada. Além da tecção falhas, o sistema apresentou também excelente sempenho na monitoração em tempo real dos parâmetros dos canais ópticos. A Figura 6 apresenta um exemplo espectro medido pelo OCA e mostrado pelo sistema iwdm. Atualmente, um novo teste campo está sendo conduzido em uma nova operadora telecomunicações envolvendo uma quantida maior enlaces a serem monitorados. A próxima etapa senvolvimento verá ser a da implementação um software maior porte que tenha capacida cadastro dos elementos diversas rotas. O sempenho do sistema frente a novas tecnologias re, tais como amplificadores Raman, amplificadores com controle ganho e Reconfigurable Optical Add and Drop Multiplexers (ROADMs) também será avaliado.

7 Figura 5 Sistema transmissão DWDM experimental compacto Figura 6 Espectro medido pelo OCA e apresentado pelo sistema iwdm 59

8 Conclusão Acesso em: 10 ago Um sistema monitoração para a camada óptica que permite o completo gerenciamento do sempenho dos sistemas baseados em multiplexação em comprimentos onda foi senvolvido e testado. Os resultados obtidos, até o presente momento, permitem afirmar que esta ferramenta será gran utilida para as operadoras telecomunicações no gerenciamento e localização falhas e gradações suas plantas curta e longa distância que fazem uso sistemas DWDM. ITU TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION SECTOR (ITU-T). Recommendation G.692: Optical Interface for Multichannel Systems with Optical Amplifiers. Genebra, Referências BACH, R., BLUMENTHAL, D.J., EINSTEIN D., KILPER, D.C., Optical Performance Monitoring. Journal of Lightwave Technology, v. 22, n. 1, p , jan GEORGE, J., Designing Passive Optical Networks for Cost Effective Triple Play Support. Disponível em: < ivetripleplay.pdf> Acesso em: 10 ago INTERNATIONAL ENGINEERING CONSORTIUM (IEC). Web Proforum Tutorials. Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM). Disponível em: < ITU TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION SECTOR (ITU-T). Recommendation G.662: Generic characteristics of optical amplifier vices and subsystems. Genebra, ITU TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION SECTOR (ITU-T). Recommendation G.697: Optical monitoring for DWDM systems. Genebra, LOURIE, M., Channel Monitors offer key DWDM building block. Lightwave, v. 23, n. 1, p.15 e 1819, jan RBN LITERATURE. Characteristics of CWDM. Disponível em: < Acesso em: 10 ago VUKOVIC, A., YANG, W., Real Time Performance Monitoring Benefits Reconfigurable Optical Networks. Lightwave, p.1, 11, 12, 13, 40 e 18-19, fev Abstract In this work, we scribe an optical layer monitoring system which allows the management of failures and gradations 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