Monitoreo remoto para redes de acceso ópticas pasivas
Las redes ópticas pasivas (PON, Passive Optical Networks) son una clase de red de acceso de telecomunicaciones que involucran la conexión entre el proveedor de servicios y los usuarios finales a través de una infraestructura de fibra óptica ramificada mediante el uso de dispositivos pasivos. Con...
Guardado en:
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| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2020
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Comunicaciones ópticas Ingeniería en telecomunicaciones Monitoring Vigilancia Sensors Sensores [Optical Time-Domain Reflectometry Passive Optical Network Red óptica pasiva Fiber bragg gratting Redes de bragg en fibra Fault detection Detección de fallas] |
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Comunicaciones ópticas Ingeniería en telecomunicaciones Monitoring Vigilancia Sensors Sensores [Optical Time-Domain Reflectometry Passive Optical Network Red óptica pasiva Fiber bragg gratting Redes de bragg en fibra Fault detection Detección de fallas] Fernández, Manuel P. Monitoreo remoto para redes de acceso ópticas pasivas |
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Comunicaciones ópticas Ingeniería en telecomunicaciones Monitoring Vigilancia Sensors Sensores [Optical Time-Domain Reflectometry Passive Optical Network Red óptica pasiva Fiber bragg gratting Redes de bragg en fibra Fault detection Detección de fallas] |
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Las redes ópticas pasivas (PON, Passive Optical Networks) son una clase de red
de acceso de telecomunicaciones que involucran la conexión entre el proveedor de servicios
y los usuarios finales a través de una infraestructura de fibra óptica ramificada
mediante el uso de dispositivos pasivos. Con el despliegue masivo de este tipo de redes
en los últimos años, surgió la necesidad de realizar un monitoreo remoto de su infraestructura,
con el fin de detectar, localizar y caracterizar eventuales fallas que interfieran
en la correcta prestación de los servicios. Al mismo tiempo, topologías de red ramificadas
similares a las PON pueden encontrarse en sistemas de sensores cuasidistribuidos.
En este sentido existen esfuerzos permanentes por parte de la comunidad científica
para desarrollar sistemas de monitoreo remoto de sensores que permitan mejorar el
desempeño de las técnicas hasta ahora reportadas.
En esta tesis se estudiaron y desarrollaron técnicas para realizar monitoreo remoto
de redes PON de telecomunicaciones y de sensores ópticos cuasidistribuidos. Las
mismas se basaron en procesamiento digital y estadístico de señales y procesamiento
fotónico de señales. En particular, se hizo especial foco en tecnologías de reflectometría
óptica en el dominio del tiempo (OTDR, Optical Time-Domain Reflectometry) y variantes
de la misma, operando en conjunto con redes de difracción en fibra (FBG, del
inglés Fiber Bragg Grating) diseñadas con características particulares y distribuidas en
una infraestructura de red óptica ramificada.
Se propuso e implementó una metodología de análisis de eventos o fallas en una
PON utilizando procesamiento digital y estadístico de señales aplicado sobre mediciones
de un instrumento OTDR convencional en conjunto con mediciones de referencia.
Se desarrolló un marco teórico que permite seleccionar los parámetros de adquisición
óptimos del OTDR en función de la topología de la PON y de la magnitud de los eventos
a ser detectados. Además, se derivó un método de estimación de los parámetros
característicos del evento. Este método soluciona el inconveniente que presentan las
técnicas convencionales de análisis de eventos en OTDRs comerciales, donde para un
evento que ocurre en una fibra de distribución, sus pérdidas de inserción y pérdidas de
retorno no son correctamente estimadas.
Para monitorear individualmente las diferentes ramas de una PON se pueden disponer
codificadores ópticos pasivos basados en FBGs distribuidos en la red con el objetivo
de complementar la funcionalidad de un OTDR mediante un esquema de multiplexado
por división de código óptico (OCDM, Optical Code-Division Multiplexing). En este
sentido, se propuso un sistema de monitoreo basado en OCDM y se evaluó su desempeño
a partir de la derivación de una expresión analítica para el número medio de falsas
detecciones. Esta expresión es de suma relevancia durante la etapa de diseño de un sistema
de este tipo, ya que permite optimizar los parámetros del sistema de monitoreo
de acuerdo a la topología de la PON.
Se propuso y estudió una estructura de OTDR que usa el principio de la Transformada
de Fourier Dispersiva (DFT, Dispersive Fourier Transform), a la que se denominó
DFT-OTDR. Mediante esta técnica es posible obtener información espectral del enlace
óptico monitoreado, la cual se encuentra convertida a una forma de onda temporal en
la medición del DFT-OTDR. Se planteó un sistema de monitoreo de PONs usando
el DFT-OTDR propuesto en conjunto con codificadores ópticos constituidos por una
única FBG. Esta resulta ser una estructura de codificador mas compacta y económica
que las anteriormente propuestas. La factibilidad del sistema se demostró mediante
la implementación de un prototipo de DFT-OTDR en el laboratorio en conjunto con
diferentes codificadores diseñados con un ancho de banda de reflexión único.
Finalmente, se propuso y demostró un sistema de monitoreo de sensores basados
en FBGs usando una estructura modificada de DFT-OTDR que incorpora una pareja
de filtros Gaussianos en el receptor para determinar la longitud de onda de Bragg de
los sensores a partir de la medición de amplitudes. Esta nueva configuración presenta
importantes ventajas respecto de las técnicas de monitoreo de sensores reportadas
en la literatura. Por un lado, permite extender considerablemente el rango lineal de
operación, ya que se evitan distorsiones debidas a energía proveniente de los lóbulos
laterales de la reflectividad de la FBG. Por otro lado, se tiene una mayor flexibilidad,
ya que el ancho espectral del sensor FBG –parámetro necesario para determinar la
longitud de onda de Bragg– puede ser derivado directamente a partir de las señales en
el dominio del tiempo. Al modelo matemático desarrollado para FBGs con un ancho
espectral arbitrario se lo complementa con experimentos en laboratorio, en donde se usó
el sistema propuesto para interrogar un sensor FBG con velocidades de interrogación
superiores a 200 MHz y resoluciones de 20 pm. Estos valores obtenidos representan
una mejora considerable en el desempeño cuando se los compara con otras soluciones
propuestas hasta el momento. |
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I25-R131-9312021-07-02T12:09:21Z Monitoreo remoto para redes de acceso ópticas pasivas Remote monitoring of passive optical access networks Fernández, Manuel P. Comunicaciones ópticas Ingeniería en telecomunicaciones Monitoring Vigilancia Sensors Sensores [Optical Time-Domain Reflectometry Passive Optical Network Red óptica pasiva Fiber bragg gratting Redes de bragg en fibra Fault detection Detección de fallas] Las redes ópticas pasivas (PON, Passive Optical Networks) son una clase de red de acceso de telecomunicaciones que involucran la conexión entre el proveedor de servicios y los usuarios finales a través de una infraestructura de fibra óptica ramificada mediante el uso de dispositivos pasivos. Con el despliegue masivo de este tipo de redes en los últimos años, surgió la necesidad de realizar un monitoreo remoto de su infraestructura, con el fin de detectar, localizar y caracterizar eventuales fallas que interfieran en la correcta prestación de los servicios. Al mismo tiempo, topologías de red ramificadas similares a las PON pueden encontrarse en sistemas de sensores cuasidistribuidos. En este sentido existen esfuerzos permanentes por parte de la comunidad científica para desarrollar sistemas de monitoreo remoto de sensores que permitan mejorar el desempeño de las técnicas hasta ahora reportadas. En esta tesis se estudiaron y desarrollaron técnicas para realizar monitoreo remoto de redes PON de telecomunicaciones y de sensores ópticos cuasidistribuidos. Las mismas se basaron en procesamiento digital y estadístico de señales y procesamiento fotónico de señales. En particular, se hizo especial foco en tecnologías de reflectometría óptica en el dominio del tiempo (OTDR, Optical Time-Domain Reflectometry) y variantes de la misma, operando en conjunto con redes de difracción en fibra (FBG, del inglés Fiber Bragg Grating) diseñadas con características particulares y distribuidas en una infraestructura de red óptica ramificada. Se propuso e implementó una metodología de análisis de eventos o fallas en una PON utilizando procesamiento digital y estadístico de señales aplicado sobre mediciones de un instrumento OTDR convencional en conjunto con mediciones de referencia. Se desarrolló un marco teórico que permite seleccionar los parámetros de adquisición óptimos del OTDR en función de la topología de la PON y de la magnitud de los eventos a ser detectados. Además, se derivó un método de estimación de los parámetros característicos del evento. Este método soluciona el inconveniente que presentan las técnicas convencionales de análisis de eventos en OTDRs comerciales, donde para un evento que ocurre en una fibra de distribución, sus pérdidas de inserción y pérdidas de retorno no son correctamente estimadas. Para monitorear individualmente las diferentes ramas de una PON se pueden disponer codificadores ópticos pasivos basados en FBGs distribuidos en la red con el objetivo de complementar la funcionalidad de un OTDR mediante un esquema de multiplexado por división de código óptico (OCDM, Optical Code-Division Multiplexing). En este sentido, se propuso un sistema de monitoreo basado en OCDM y se evaluó su desempeño a partir de la derivación de una expresión analítica para el número medio de falsas detecciones. Esta expresión es de suma relevancia durante la etapa de diseño de un sistema de este tipo, ya que permite optimizar los parámetros del sistema de monitoreo de acuerdo a la topología de la PON. Se propuso y estudió una estructura de OTDR que usa el principio de la Transformada de Fourier Dispersiva (DFT, Dispersive Fourier Transform), a la que se denominó DFT-OTDR. Mediante esta técnica es posible obtener información espectral del enlace óptico monitoreado, la cual se encuentra convertida a una forma de onda temporal en la medición del DFT-OTDR. Se planteó un sistema de monitoreo de PONs usando el DFT-OTDR propuesto en conjunto con codificadores ópticos constituidos por una única FBG. Esta resulta ser una estructura de codificador mas compacta y económica que las anteriormente propuestas. La factibilidad del sistema se demostró mediante la implementación de un prototipo de DFT-OTDR en el laboratorio en conjunto con diferentes codificadores diseñados con un ancho de banda de reflexión único. Finalmente, se propuso y demostró un sistema de monitoreo de sensores basados en FBGs usando una estructura modificada de DFT-OTDR que incorpora una pareja de filtros Gaussianos en el receptor para determinar la longitud de onda de Bragg de los sensores a partir de la medición de amplitudes. Esta nueva configuración presenta importantes ventajas respecto de las técnicas de monitoreo de sensores reportadas en la literatura. Por un lado, permite extender considerablemente el rango lineal de operación, ya que se evitan distorsiones debidas a energía proveniente de los lóbulos laterales de la reflectividad de la FBG. Por otro lado, se tiene una mayor flexibilidad, ya que el ancho espectral del sensor FBG –parámetro necesario para determinar la longitud de onda de Bragg– puede ser derivado directamente a partir de las señales en el dominio del tiempo. Al modelo matemático desarrollado para FBGs con un ancho espectral arbitrario se lo complementa con experimentos en laboratorio, en donde se usó el sistema propuesto para interrogar un sensor FBG con velocidades de interrogación superiores a 200 MHz y resoluciones de 20 pm. Estos valores obtenidos representan una mejora considerable en el desempeño cuando se los compara con otras soluciones propuestas hasta el momento. Passive Optical Networks (PON) are a class of telecommunication’s access network that provide a fiber optic link between the service provider and the end users. The main feature of PONs is that they present a tree-structured fiber topology through the exclusive use of passive optical devices, such as power splitters and wavelenght multiplexors. The massive deployment of PONs in recent years led to an incresing interest in the development of physical layer monitoring technologies that allow to detect, localize and characterize potential faults in the PON infraestructure. At the same time, three-structured topologies such as PONs can be found in fiber-based quasidistributed optical sensors systems. In this way, there are constant efforts from the research community to develop techniques for monitoring quasi-distributed sensors that outperform the previously reported ones. The work reported in the present thesis is focused on the study and development of novel techniques for remote monitoring of telecommunication PONs and quasidistributed optical sensors. Such techniques are based on statistical and digital signal processing and photonic signal processing. In particular, the main focus of this thesis are Optical Time-Domain Reflectometry (OTDR) technologies together with devices based on fiber Bragg gratings (FBGs) which are distributed over a tree-structured optical infrastructure. Firstly, a methodology for remote fault analysis in PONs is proposed and demonstrated. This methodology is based on digital and statistical signal processing applied to conventional OTDR measurements. A theoretical framework that allows optimizing the OTDR acquisition parameters according to the PON topology and the event magnitude is presented. Moreover, the estimators for the event’s characteristic parameters were derived. These estimators solve the shortcoming of conventional algorithms for fault analysis in commercial OTDRs, for which the insertion loss and return loss are not properly determined if the event occurs after a power splitter. To identify and individually supervise the status of the different branches in a PON, a monitoring scheme based on Optical Code-Division Multiplexing (OCDM) was proposed to complement the functionality of an OTDR. In the proposed scheme, passive encoders based on a couple of FBGs are placed at the termination of each branch in the PON. These encoders generate a unique signature sequence for each branch that can be identified in the OTDR measurements. To this respect, an analytical expression for the average number of false detections as a function of the OTDR parameters and the PON topology was derived. This expression is highly relevant during the design stage, as it allows to optimize monitoring system’s parameters to achive a desired performance. A modified OTDR structure based on the Dispersive Fourier Transform (DFT) is introduced. Such device, named DFT-OTDR, allows to obtain spectral information of the monitored optical link directly in the time-domain in the DFT-OTDR measurement. Using this device, a coding-based PON monitoring system is proposed. In this scheme, the encoders consist of a single FBG, which results in the most compact encoder structure proposed up to date. The feasibility of the system was demonstrated through the implementation of a prototype of DFT-OTDR in the laboratory, toghether with the construction of several FBG encoders designed with a unique spectral bandwidth. Finally, a novel interrogation technique for FBG sensors is proposed. The interrogation device is based on a modified DFT-OTDR that incorporates a couple of Gaussian filters in the receiver side. This configuration allows to considerably extend the linear operational range compared to conventional monitoring techniques, since it avoids distortions arising from residual energy of the FBG sidelobes. Moreover, the spectral width of the sensed FBG –which is a parameter that has to be previously known– can be directly derived from the time-domain waveform. The mathematical model for the acquired signals is demonstrated by proof-of-concept experiments in the laboratory in which a FBG sensor was monitored with interrogation speeds over 200 MHz and resolutions of 20 pm. 2020-04-09 Tesis NonPeerReviewed application/pdf http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/931/1/1Fernandez_M.pdf es Fernández, Manuel P. (2020) Monitoreo remoto para redes de acceso ópticas pasivas / Remote monitoring of passive optical access networks. Tesis Doctoral en Ciencias de la Ingeniería, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro. http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/931/ |