Calcular el presupuesto óptico de una red FTTH

Calcular el presupuesto óptico (optical budget) de una red FTTH es una de las cosas mas básicas que hay que tener bien clara. El presupuesto óptico nos indicará lo lejos que podremos tener los clientes, o el número de splitters que podemos colocar, por lo tanto también, el ratio máximo de agregación por puerto PON.

Los wiferos ya estamos acostumbrados a hacer estas mediciones para el aire, aunque ahora con fibra se nos presentan nuevos elementos, como los splitters ópticos (que también existen en radio, aunque no los usemos normalmente).

Existen varias herramientas online (como esta ), pero prefiero tener claro como funciona, y las operaciones que realiza.

Como el propio nombre indica, se trata de saber la cantidad de potencia óptica que tenemos disponible para que funcione un enlace. Esto irá marcado por la potencia que emita el transmisor y la sensibilidad del receptor. Por supuesto, tenemos que tener en cuenta las pérdidas que habrá en el camino entre ese emisor y ese receptor (la ODN). Como se trata de que esto funcione, calcularemos el presupuesto óptico con el peor escenario posible con el que nos podamos encontrar para garantizar que todo funcione. Lo primero, miraremos las especificaciones del fabricante del emisor y receptor para saber cual es  la potencia mínima a la cual emiten y su sensibilidad. Hay que medir los dos caminos.  Basándome en el equipamiento que tengo instalado hoy en día, obtengo los siguientes parámetros.

Como vereis, utilizo ONT's del tipo B+. Si en algún momento me veo justo de presupuesto óptico, siempre podré poner alguna ONT del tipo C+, que tienen mejores prestaciones ( min tx 0,5db, min Rx sens 30db). De momento, como hemos indicado antes, nos pondremos en el peor de los escenarios.

Con esta información, ya podemos calcular la cantidad de luz disponible. Lo haremos restando el mínimo TX power a la mínima RX sens.  Potencia óptica disponible = "min. tx power del emisor" - "min rx sens. del receptor". Como la comunicación es bi-direccional, tenemos que hacer los cálculos en los dos sentidos.

Como ya hemos dicho, cogeremos como referencia el caso mas desfavorable. Tenemos un presupuesto óptico de 30 db. A estos 30 db hay que ir restándole todas las atenuaciones que hay en ODN. La fibra atenua por la distancia, los splitters dividen la senyal en varios caminos, las fusiones, los conectores, las curvas excesivas, etc. etc. Todo esto son factores que atenuan la luz, y que hay que tener en cuenta en el diseño.

Atenuación de la fibra

La atenuación por distancia en la fibra será seguramente el factor que menos nos afecte ya que la fibra tiene poca atenuación en cortas distancias. Irá en función de la longitud de onda y del tipo y la calidad de la fibra. Las longitudes en GPON son 1310, 1490 y 1550  en caso de tener también CATV. Seguramente, las fibras que usaremos serán del tipo G.652D para troncal y G.657A1 para distribución. Las normativas marcan la atenuación máxima de estas fibras a las distintas longitudes de onda. Para nuestro caso, las atenuaciones son las siguientes:

Fuente: https://www.itu.int

La red GPON teoricamente puede alcanzar a usuarios hasta 20 Km de distancia. Lo que nos atenuaría, solo con fibra, unos 8 db.  En la vida real, en nuestros escenarios, pocas veces tendremos que alcanzar a usuarios a 20 km. No tiene sentido meter en el presupuesto óptico mas Km que tenga la extensión de  nuestra ciudad. En mi caso concreto, el cliente mas lejano lo tengo a unos 5 km. Así que tomaré los valores de 7 Km para contar la atenuación de la fibra.  7 km x 0,4db/km = 2,8 db de pérdida por fibra. Por lo tanto, a los 30 dB que teniamos de presupuesto, le restamos los 2,8 que pierde la fibra, y nos quedan 27,2 dB.

Atenuación de los conectores. 

En una red GPON tendremos conectores en varios puntos. Según la ITU, cada conector tendrá una atenuación máxima de 0,5 db. Esta perdida es el resultado de enfrentar 2 conectores, no de cada conector físico en si. Haciendo un recuento de los conectores que tendremos, a mi me salen los siguientes:
Uno en el propio puerto PON de la OLT, el siguiente se encuentra todavía en el CPD, y es el que conecta el cable que viene de la OLT con la fibra que viene de la calle. En el panel de parcheo. Despues llego a un primer nivel de Splitting, que en mi caso, no conectorizo (fusión). Llego al segundo nivel de splitting. La entrada tambien la fusiono, pero la salida queda vacia a la espera de que lleguen clientes con su cable drop. Por lo tanto, aquí va el tercer conector. Siguiendo el camino hacia casa del cliente, llego a su acometida, donde ponemos una roseta, y el cuarto conector. De ahí ya sigue un último latiguillo que muere directamente en la ONT. Aquí está el quinto y último conector de mi red.
Tengo 5 conectores x 0,5 dB de perdida cada uno = 2,5 db de atenuación por los conectores. Me quedaban 27,2 db de presupuesto, a los que le quito estos 2,5 = 24,7 db es el nuevo presupuesto óptico que me queda.

Las fusiones

Cada conector, irá unido a su cable correspondiente mediante una fusión. Tambien las entradas y salidas del primer splitter, y la entrada del segundo.  Además de las fusiones del momento de la instalación de la red, a lo largo de la vida útil de esta, se producirán roturas. Estas roturas se repararán también con fusiones, por lo tanto debemos también de estimar el número de fusiones que haremos para reparar la red.  He leído que la gente estima una fusión por rotura cada 6Km de cable. Puesto que una red GPON transcurre por un entorno urbano, voy a estimar un escenario mas problemático en cuanto a roturas. Estimaré una fusión por rotura cada 2 Km.

En mi caso tengo 6 fusiones de pigtail conectorizados a cable + 4 fusiones previstas para reparaciones = 10 fusiones en todo el camino x 0.1 = 1 db por pérdida de fusiones. Me quedaban 24,7 db's - 1 de perdida por fusiones = 23,7 db's es el presupuesto óptico que de momento me queda.

Los splitters

Los splitters son sin duda, el elemento de la red que mas atenuación introduce.  Hay mil maneras de hacer los splitteos. Desde un único nivel hasta varios (nunca he visto mas de 3 niveles).  

Ejemplo de un splitteo a 16 de 3 maneras distintas.

En función de como se coloquen estos splitters, pueden afectar al presupuesto óptico. Sobre todo por la necesitad de conectores y fusiones que tienen los splitteos a varios niveles. Por lo que he visto hasta ahora, el esquema de splitteo que mas se utiliza es de 2 niveles de 1:8 cada uno de ellos. Esto varia mucho en función de la población y de la disposición de las viviendas. No es lo mismo llegar con fibra a una calle con grandes rascacielos que a una zona de viviendas unifamiliares. Como digo, en mi caso utilizo dos niveles con 1:8. Esto me introduce una pérdida por splitteo de 20,80 db's.

Me quedaban 23,7 dB de presupuesto óptico - 20'80 db por la atenuación de los splitters = 2,9 db es el presupuesto óptico que me queda

Margén de seguridad

Temperaturas extremas, curvaturas excesivas u otros factores inesperados pueden afectar a la cantidad de luz que pasa por una fibra óptica. Es por ello que siempre se deja un margen de seguridad que proteja el uptime de la red. Este suele estar entre 1,7 dB y 3 dB. Según mis cálculos, mi margen de seguridad no puede llegar a 3 dB's puesto que me quedan solo 2,9 dB's de margen. Como la diferencia es tan poca, lo puedo dar por válido.

Tabla para el cálculo del presupuesto óptico

Si el exceso de potencia es menor de 0, es por que hemos superado el presupuesto óptico. Si por el contrario, es superior a 0, podremos aumentar las prestaciones de nuestra red. Por ejemplo, aumentando la distancia de cable hasta el abonado mas lejano, o añadiendo un nivel de splitteo.

Conclusión

Sabemos que una red GPON puede alimentar clientes a 20 Km, y que soporta splitteos de hasta 1:128, pero con configuraciones mucho mas conservadoras (1:64 a 7 Km.) nos hemos comido todo el presupuesto óptico, por lo tanto es muy importante hacer bien los cálculos para no encontrarnos sorpresas después. También he de decir que las cifras que se manejan de forma oficial para hacer los cálculos son bastante exageradas. Una fusión suele dar 0,02 dB's de perdida, y en nuestros cálculos hemos contado con el standard, que es 0,1 dB's. También la fibra y los conectores de hoy en día tienen menos atenuación de la máxima que marca la norma. Y de igual manera, si usamos ONT's con laser tipo C+ ganamos casi otros 3 dB's de presupuesto óptico. Si se hace todo muy perfecto se puede conseguir el splitteo a 1:128, pero como habreis adivinado, es bastante difícil. De hecho veo tendencia a hacer todo lo contrario, que es ir a escenarios de splitteo a 1:32. Esto nos daría margen en el presupuesto óptico, al mismo tiempo que nos permitiría mayores tasas de transferencia de datos para los clientes.

También hay que decir que en estos cálculos, no se ha tenido en cuenta la parte de CATV,  que cuenta con distintos niveles de Tx Power y RX sensitivity, por lo que si se piensa en implementarla, hay que tenerlos en cuenta para el presupuesto.

Como todo lo que escribo en mi blog, lo hago por gusto. No es nada serio, por lo que seguro que este manual está plagado de errores. Si los encuentras no dudes en comunicármelo.