Introduccion al diseno de sistemas opticos submarinos

1. Capítulo 10
Diseño de Sistemas Opticos
Submarinos
Lima, Agosto 2015
Diógenes Marcano

2. 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

3. 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 si
a) Lspan=95 Km
b) Lspan=61 Km
c) Lspan=48 Km
)log(10)10log(10 3
NxhfBNFLossPOSNR ospandBmsource,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.

4. Enlace de gran alcance
)log(10)10log(10 3
NxhfBNFLossPOSNR ospandBmource,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 odBmindBF  
Pin,=Psource, -Lossspan. Pin, es la potencia que entra a cada
amplificador por cada 

5. 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 ospandBmource,sF  
Aquí se conoce la longitud
del Span, la cantidad de
Span, así que se despeja la
potencia

6. 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 ospandBmource,sF  

7. 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 dB
2. La atenuación de la fibra aumentará en 0.005 dB/Km en 25 años
3. 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

8. Características del Sistemas
Se 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

9. Expresiones del OSNR
)log(10)10log(10 3
,,, NxhfBNFLossPOSNR oBoLspanBoLsourceBoLF  
)log(10)10log(10 3
,,, NxhfBNFLossPOSNR oEoLspanBoLsourceEoLF  
EoLspanBoLspanEoLFBoLF LossLossOSNROSNR ,,,, 

 
_F.OReparacionPerdidas
es_RepetidorReparacionPerdidasLLossLoss spanBoLspanEoLspan
_
_,, 
Si

 
_F.OReparacionPerdidas
es_RepetidorReparacionPerdidasLOSNROSNR spanEoLFBoLF
_
_,, 
Entonces

10. Caso de enlace de 2000 Km
Degradacion del OSNR
Cantidad de Span N_Span 30
Variacion de atenuacion en la F.O, dB/Km  0,005
Alcance total del enlace optico, km L_alcance 2000
Longitud en aguas profundas, Km L_APR 1000
Longitud en aguas no-profundas, Km L_NP 1000
Porcentaje deepetidores que fallan, % RF 5
Perdidas debido a las fallas en repetidores, dB LRF 3
Perdidas por reparacion en aguas profundas, dB Loss_APR 3
Distancia entre reparaciones consecutivas en aguas profundas, Km D_APR 1000
Cantidad de reparaciones en aguas profundas NR_APR 1
Perdidas por reparacion en aguas no-profundas, dB Loss_NAP 0,5
Distancia de reparacion en aguas no profundas, Km D_NAP 20
Cantidad de reparaciones en aguas no profundas NR_NAP 50
Variacion de las Perdidas en un Span debido a reparaciones, dB Delta_P 1,08
Variacion de las perdidas en la F.O por envejecimiento, dB Delta_Loss 0,33
Degradacion del OSNR, dB Delta_OSNR 1,42
Degradacion del OSNR Delta_OSNR 1,3857
Resultados
Degradacion del OSNR

11. 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

12. 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.

13. ANEXO al Cap. 10
Fallas en sistemas submarinos

14. 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

15. Tasa de Falla - FIT
añoshoras10X
Xfalla1
Horafallas10
FIT1
9
9
114155




años
ff
horas10
X
Xfalla1
Horafallasf10
FITsfaigualMTBFuntienesistemaunsi
9
9
114155






16. 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
OutagenObservacioTiempo
dadConfiabili



17. 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

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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