что такое оптические системы связи
Оптоволокно: прошлое и настоящее
В 1966 году ученый и выходец из Китая Чарльз Као Куэн представил миру результаты собственного исследования. Основной посыл его разработок заключался в том, что оптическую связь можно организовать с помощью стеклянного волокна. В своей работе Као представил миру уникальные конструктивные особенности волокна и его материалов. Исследования ученого можно по праву считать основой волоконно-оптических телекоммуникаций сегодняшнего дня. Первое же упоминание термина “оптическое волокно” впервые было использовано в 1956 году компанией NS Kapany из США.
Сегодня технологии волоконно-оптической связи настолько прочно проникли в нашу жизнь, что мы уже не видим в них ничего удивительного и воспринимаем их наличие также, как наличие водопровода в многоквартирном доме. Поэтому в этой публикации хотелось бы подробнее поговорить об оптике и рассказать несколько интересных фактов о технологии, на которой основана современная высокоскоростная связь.
Немного истории
За время истории развития волоконной оптики было проведено множество интересных исследований и экспериментов. Остановим свой взгляд лишь на некоторых из них.
Английский физик Джон Тиндалл провел эксперимент с отражением светового луча в струе воды, описание которого он зафиксировал в своей книге.
«Если угол, под которым падает луч света из воды в воздух (т.е. угол между поверхностью двух сред и перпендикуляром), превышает 48 градусов, то луч не выходит из воды – он полностью отражается от границы вода-воздух… Если наименьший угол падения, при котором наблюдается полное внутреннее отражение, назвать предельным углом, то для воды он будет равным 48°27», для бесцветного стекла (флинтглас) – 38°41″, а для алмаза – 23°42″, — пишет Тиндалл.
Экспериментальная установка Джона Тиндалла
Этот эксперимент при желании может дома поставить любой желающий. Лазерной указкой нужно светить под разными углами в ванной на струю воды из крана. Под определенным углом световой луч будет полностью отражаться в потоке воды.
Аналогичный эксперимент можно произвести и с фонариком. Для этого в прозрачной пластиковой бутылке нужно сделать отверстие сбоку. Пропускаем воду через бутылку и начинаем светить фонарем с противоположной стороны бутылки. Если мы подставив ладонь, то на ней будет отражаться пятно света.
Активные разговоры о волоконных светодиодах начались еще в пятидесятых годах прошлого столетия. Тогда же и начали их делать из разного рода прозрачных материалов. Но прозрачности тех материалов не хватало для хорошей проводимости света.
В те годы Советский Союз даже опережал Запад в сфере волоконной оптики. Первая оптическая линия связи была запущена в СССР в 1977 году в Зеленограде. Канал был создан для соединения Северной промзоны и администрации города. Изготовлена она была на оптическом кабеле разработки особого конструкторского бюро кабельной промышленности (ОКБ КП), входящего в Концерн «Радиоэлектронные технологии» (КРЭТ) Государственной корпорации Ростех, специализирующегося на производстве кабелей и кабельных сборок.
В мае 1981 года в СССР вышло Постановление ЦК КПСС и СМ СССР «О разработке и внедрении световодных систем связи и передачи информации». Это событие стало толчком для развития волоконно-оптической связи и увеличению количества разработок в этой сфере.
В начале 60-х сначала в СССР, а затем и на Западе ученые приходят к выводу, что светопоглощение стекла сильно зависит от красящих материалов и продуктов разъедания огнеупоров. Экспериментально было доказано, что светопоглощение идеально чистого стекла настолько мало, что лежит за пределами чувствительности измерительных приборов.
В 1966 году группа ученых во главе Чарльзом Куэн Као приходит к выводу, что наиболее подходящим материалом для волоконно-оптической связи будет кварцевое стекло. Уже тогда Као считал, что с помощью оптики можно будет передавать информацию и вскоре этот вид связи заменит передачи сигнала по медным проводам.
Спустя три года Као получил волокно с коэффициентом затухания на уровне 4 дБ/км. Это результат стал первым экземпляром сверхпрозрачного стекла. Еще год спустя компания Corning Incorporated произвела волокна со ступенчатым профилем показателя преломления и достигла коэффициента затухания 20 дБ/км на длине волны 633 нм. Впервые кварцевое волокно пропустило световой луч на расстояние до 2 километров.
Согласитесь в схожем темпе сейчас развивается квантовая передача данных. По чуть-чуть, да понемногу. В качестве экспериментов и коммерческого использования на небольших расстояниях.
Где оптоволокно применяется помимо телекома
Сегодня волокно применяется во множестве отраслей помимо телекома. Это рентгеновские аппараты, где оно обеспечивает гальваническую развязку между источником высокого напряжения и низковольтным управляющим оборудованием. Так персонал и пациенты получают изоляцию от высоковольтной части аппаратуры. Волокно применяют в распределительных устройствах электроподстанций в качестве датчика системы защиты.
Обширно оптические волокна используют в разного рода измерительных системах, где невозможно применять традиционные электроприборы. Например, в системах измерения температуры в реактивных двигателях самолета, в аппаратах МРТ (томографические медицинские аппараты для исследования внутренних органов, в том числе головного мозга) и др. Датчики на основе оптических волокон могут измерять частоту вибраций, вращения, смещения, скорость и ускорение, вращающий момент, скручивание и другие параметры.
Сегодня применяются гироскопы на основе оптического волокна, которые работают на основе эффекта Саньяка. У такого гироскопа нет подвижных частей, что делает его весьма надежным. Несмотря на то что в современных системах навигации используется огромное количество различных датчиков, благодаря которым определяется положение объекта, наиболее независимую систему можно создать лишь на основе волоконно-оптических гироскопов.
Оптика широко применяется в охранной сигнализации. Устроена такая охранная система следующим образом: когда злоумышленник проникает на территорию условия прохождения света через световод изменяются, и срабатывает сигнализация.
Пример реализации волоконно-оптического гироскопа
Трехосевой волоконно-оптический инерциальный измерительный модуль серии ASTRIX производства фирмы AIRBUS DEFENCE&SPACE; в датчик по каждому направлению встроен LiNb03 модулятор
Волокно активно используется в декоративных целях, как украшение праздников, в искусстве и рекламе.
Постоянно разрабатываются новые типы оптических волокон. К примеру, фотонно-кристаллических световоды. Распространение света в них основано на несколько иных принципах. Такое волокно можно использовать в качестве жидкостных, химических и газовых датчиков. Кроме того его можно применять для для транспортировки мощного излучения в промышленных или медицинских целях.
Полным ходом идет разработка оптоволокна, с помощью которого можно было бы передавать энергию лазерного излучения мощность в несколько киловатт. В теории передача излучения мощность 10 кВт по волокну длиной 250 м при диаметре сердцевины 150 мкм считается возможной.
Фотонно-кристаллическое волокно
Также стоит отметить, что сегодня активно разрабатываются многосердцевинные волокна. Их использование позволит значительно увеличить общую пропускную способность ВОЛС.
Волокну уже за пятьдесят, но технология явно не собирается на пенсию. Инновации в сфере оптоволокна появляются регулярно и телеком здесь далеко не единственная отрасль заинтересованная в развитии технологии.
Как строятся оптоволоконные сети
Всем привет! Меня зовут Дмитрий, я занимаюсь проектированием и строительством волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) в DataLine. Сегодня расскажу, как мы создаем оптические трассы для наших клиентов и как устраняем аварии.
Монтажник укладывает волокна двух кабелей в оптической муфте.
Когда я пришел в компанию в 2016-м, уже была построена опорная сеть, или «магистраль», из 144 волокон. Она объединила наши узлы связи (дата-центр OST, дата-центр NORD) с ММТС-9 и ММТС-10 в единое кольцо. Длина опорной сети на тот момент была около 210 км. Также было построено около 21 км так называемых «последних миль» – ответвлений от опорной сети, соединяющих удаленную площадку клиента с ближайшим нашим узлом связи. Тогда в компании не было выделенных специалистов по ВОЛС, все делали подрядчики под руководством сетевого отдела.
Сейчас «магистралей» не строим, так как имеющейся емкости пока хватает. Все мои проекты – это достройка трасс от нашей опорной сети до офисов клиентов. При мне построили 70 км таких трасс. Протяженность всей сети на сегодняшний день составляет 301 км.
Схема прохождения оптоволоконной сети DataLine на декабрь 2018.
Это кабель марки ОККМ (ОК – оптический кабель, К – канализация, М – многомодульная конструкция) производства Фуджикура. Его мы используем в наших проектах.
Мы прокладываем оптические кабели в телефонной канализации, коллекторах, тоннелях и мостах. Самостоятельно строим канализацию только в тех случаях, когда рядом с маршрутом будущей трассы нет подходящей инфраструктуры. Иначе это все равно что построить себе отдельную дорогу от дома до работы – долго и дорого.
В представлении многих коллекторы и телефонная канализация примерно одно и то же, но это не так. В коллекторах размещают не только кабели связи. Там проходят разные инженерные коммуникации: теплосеть, газопровод, силовые кабели. Некоторые коллекторы настолько большие, что в них спокойно может проехать грузовой автомобиль.
Телефонная же канализация – это просто зарытый в землю трубопровод с кабелями. Заглянуть в нее можно только через смотровые устройства – телефонные колодцы. Они бывают разные, но чаще в них не развернуться. Иногда это просто коробка глубиной 20 см. В качестве исключения видел несколько колодцев по Москве размером с трехкомнатную квартиру.
Смотровой колодец телефонной канализации.
Вот такой вид открывается в смотровом колодце. Кабели просто уходят в каналы в стене.
Обычно для наших клиентов мы строим две оптоволоконные трассы, идущие независимыми маршрутами до нашего дата-центра. Это нужно для резерва, на случай повреждения или полного обрыва основного кабеля. Тут многие сразу вспомнят поучительные истории про экскаватор и будут правы. Из свежего: во время работ по программе «Моя улица» одному нашему клиенту «повезло» с экскаватором 4 раза за 3 месяца. Хорошо, что у него была резервная трасса, которая не пересекалась с основным маршрутом, и его сервис не простаивал, пока мы восстанавливали пострадавшую трассу.
Маленькое движение ковшом – большие проблемы для провайдера. Обрыв кабелей в телефонной канализации.
Большинство клиентов понимают важность резерва и сразу просят нас проработать два разнесенных маршрута до их площадки. Или заказывают у нас трассу, которая будет резервной в дополнение к основной от другого провайдера.
Про процесс
Например, клиент хочет провести волокно из нашего дата-центра NORD к себе в офис.
На основе эскизов линейно-кабельных сооружений я определяю ориентировочный маршрут будущей трассы. Вычисляю расстояние достройки от офиса клиента до нашей сети и выбираю место для размещения соединительных муфт. Попутно собираю информацию об объекте, в котором расположен офис клиента: есть ли на пути будущей трассы линейно-кабельные сооружения, кто является их владельцем. Эта информация понадобится при согласовании рабочего проекта.
Маршрут оптических трасс от дата-центра NORD до офиса клиента.
В этом проекте мы соединяли два офиса клиента.
С этими исходными данными я рассчитываю бюджет на организацию новой линии связи. В него войдут наши разовые расходы на получение технических условий от собственников линейно-кабельных сооружений (Москоллектор, МГТС) и согласование рабочего проекта с ними же, проектно-изыскательские работы на линейную часть, строительно-монтажные работы по прокладке кабеля, стоимость используемых материалов, а также наши ежемесячные платежи за аренду линейно-кабельных сооружений. По рынку проектирование и строительство «под ключ» 1 км оптоволоконной трассы емкостью до 32 волокон обойдется сейчас в среднем 200 тыс. руб.
Мы самостоятельно делаем рабочий проект прокладки кабеля по зданию и согласовываем его с владельцем. В этом документе мы описываем, как будет организован ввод в здание, прокладка кабеля по зданию до места назначения (серверной или офиса) и монтаж оптического кросса.
Пример схемы прокладки оптического кабеля внутри здания.
Как только все проекты согласованы, начинается долгожданное строительство. В существующую сеть ВОЛС врезают новый кабель, который будет проложен до здания клиента. Ниже несколько рабочих фотографий.
Иногда телефонные колодцы оснащены антивандальными устройствами (заглушками). Приходится тратить время на их открытие при помощи специального подъемника.
Монтажники протягивают новый кабель.
На самом подходе к зданию клиента возник непроходимый участок: был обнаружен излом в канале, и кабель не получалось протолкнуть из смотрового колодца. Потребовалось снимать дорожное покрытие и вскрывать грунт.
На столе – оптическая муфта. Идёт подготовка монтажа нового кабеля в магистраль.
Врезка нового кабеля в магистраль.
Для монтажников-спайщиков мы готовим исполнительные схемы. По ним специалисты распознают нужные волокна в магистральных кабелях и сваривают их с волокнами нового кабеля. Затем сваренные волокна укладывают в оптическую муфту.
На фото разделанный кабель. Если присмотреться, то видно волокно, которое заходит в сварочный аппарат.
Оптическая муфта с соединенными волокнами двух кабелей.
Так оптический кабель приходит в здание.
Когда кабель проложили до здания, на его конце разваривают оптический кросс, который монтируют в стойку или на стену.
Оптический кросс в Meet-Me-Room дата-центра OST.
Дальше мы параллельно с подрядчиком тестируем новую трассу: проводим измерения кабеля методом импульсной рефлектометрии. Показания снимаются с оптического кросса с помощью рефлектометра. Значения ниже говорят о том, что все работает. Они же фиксируются в SLA с клиентом:
| ≤ 0,2 дБ максимальная величина потерь на неразъемных соединениях (сварке) при двунаправленном усредненном измерении. ≤ 0,5 дБ затухание оптического сигнала на длинах волн 1310 и 1550 нм в точках разъёмного соединения (транзита) оптических волокон. ≤ 40 дБ коэффициент отражения (reflectance) на 1 событие. ≥ 29 дБ значение оптических возвратных потерь (Optical Return Loss – ORL) на измеряемом участке. |
Рефлектометр.
Если все показания в норме, то трасса принимается в обслуживание и передается в эксплуатацию. Клиенту остается только подключиться в нужный порт.
Вежливые люди, пожары в коллекторах: как проходят работы и устраняются аварии на трассах
Когда происходит авария, не всегда сразу понятно, где повреждение. Совместно с инженерами проводим контрольные измерения с помощью рефлектометра на оптическом кроссе в наших дата-центрах, чтобы определить предполагаемое место аварии. Пока аварийная бригада собирается, я успеваю сориентировать их, куда ехать, и сам выезжаю на место обрыва.
Параллельно составляем список клиентов, чьи сервисы были нарушены при аварии, а коллеги из смежных отделов уведомляют клиентов. Наш отдел переключает клиентов на резервные каналы – клиентские и наши собственные (на свободные волокна), – если у клиента нет резерва. При необходимости тянем новые кроссировки и начинаем переключение.
Последняя крупная авария произошла из-за пожара в Ново-Дорогомиловском коллекторе. Всех провайдеров допустили к работам только через 5 дней, потому что сначала восстанавливали все городские коммуникации и связь специального назначения. Всем, у кого не было резерва, пришлось ждать (еще раз к вопросу о резерве:)). Но такие случаи скорее исключение, и обычно работоспособность сервисов восстанавливаем оперативно, для масштабных аварий – это 8 часов максимум.
Так выглядят обгоревшие кабели. Последствия пожара в Ново-Дорогомиловском коллекторе.
Восстановительные работы в том же коллекторе. Монтажники изготавливают кабельную вставку для поврежденного кабеля. Запах гари после пожара все еще очень сильный, поэтому работают в респираторах.
Оптические системы связи
Оптические системы связи
Сегодня я хотел бы поговорить о волоконно-оптических линиях связи. Многие предполагают, что в будущем они заменят обычную сеть (витую пару). Но немногие знают, что уже сегодня они широко используются в нашей повседневной жизни. Конечно, до видеотелефонов нам еще далеко, но все идет к этому семимильными шагами…
Волоконно-оптические линии связи — это вид связи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием «оптическое волокно». Пять лет назад волоконно-оптические кабели использовались лишь операторами связи да крупными предприятиями. Теперь, когда настало время широкого внедрения сетей Gigabit Ethernet и уже ратифицирован стандарт 10 Gigabit Ethernet, оптические сети становятся массовой технологией. Несмотря на простоту основных компонентов этих сетей — стекло да свет, — оптические технологии и описывающие их термины для многих остаются тайной за семью печатями.
Наряду со строительством глобальных сетей связи оптическое волокно широко используется при создании локальных вычислительных сетей. Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Основания так считать вытекают из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам.
Скорости передачи волоконно-оптических систем связи невероятно велики. Современные системы позволяют передать все содержимое CD-диска за полсекунды. И технология продолжает развиваться. Организация Optical Internetworking Fo-rum завершает разработку стандартов для уровня OC-768, которые позволят увеличить пропускную способность линий связи до 40 Гбит/c. Такая скорость соответствует передаче в секунду восьми полных CD-дисков, или 5 Гб данных. Но даже 40 Гбит/с — это далеко не предел. Так, компания Alcatel продолжает наращивать пропускную способность волокна, «втискивая» в одно оптическое волокно 365 спектральных каналов со скоростью 10 Гбит/с каждый и обеспечивая их передачу на расстояние 6800 км. Эта технология, предназначенная для подводных кабельных систем, будет обеспечивать пропускную способность, достаточную для передачи трафика 47 млн телефонных разговоров.
Физические особенности:
1. Высокая частота несущая (Fo=10**14 Гц). Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 10**12 бит/с, или Терабит/с. Говоря другими словами, по одному волокну можно передать одновременно 10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут.
2. Очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в волокне. Лучшие образцы российского волокна позволяют строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через 4600 км при скорости передачи порядка 40 Гбит/с.
Технические особенности:
1. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния — широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди.
2. Оптические волокна имеют диаметр около 100 мкм, то есть очень компактны и легки, что делает их перспективными для использования в авиации, приборостроении, кабельной технике.
3. Стеклянные волокна — не металл, тем самым они безопасны в электрическом отношении. Такие кабели можно монтировать на мачтах существующих линий электропередач как отдельно, так и встроенными в фазовый провод, экономя значительные средства на прокладку кабеля через реки и другие преграды.
4. Системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа. Волоконно-оптические линии связи нельзя подслушать неразрушающим способом. Всякие воздействия на волокно могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии. Теоретически существуют способы обойти защиту путем мониторинга, но затраты на реализацию этих способов будут столь велики, что превзойдут стоимость перехваченной информации.
5. Важное свойство оптического волокна — долговечность. Время жизни волокна, то есть сохранения им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет, что позволяет проложить оптико-волоконный кабель один раз и по мере необходимости наращивать пропускную способность канала путем замены приемников и передатчиков на более быстродействующие.
Но есть и свои недостатки:
1. При создании линии связи требуются высоконадежные активные элементы, преобразующие электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы. При производстве этих соединителей погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее.
2. Другой недостаток заключается в том, что для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а потому дорогое технологическое оборудование.
3. Как следствие — при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями.
Важнейшим из компонентов является оптическое волокно. Для передачи сигналов применяются два вида волокна: многомодовое и одномодовое. Свое название волокна получили от способа распространения в них излучения. Первые имеют более толстую сердцевину (светонесущую жилу) с типовым диаметром 50 или 62,5 мкм, сердцевина вторых — всего лишь от 2 до 10 мкм (для сравнения: диаметр обычного человеческого волоса равен 140 мкм). Многомодовыми волокна называют потому, что их диаметр значительно больше длины волны, а значит, в них распространяется множество различных типов световых лучей — мод.
Вторым важнейшим компонентом, определяющим надежность и долговечность, является волоконно-оптический кабель (ВОК). На сегодня в мире несколько десятков фирм, производящих оптические кабели различного назначения. Наиболее известные из них: AT&T, General Cable Company (США); Siecor (ФРГ); BICC Cable (Великобритания); Les cables de Lion (Франция); Nokia (Финляндия); NTT, Sumitomo (Япония); Pirelli (Италия). По одномодовому кабелю сигналы способны передаваться на сотни и даже тысячи километров в зависимости от типа источника излучения, длины волны и скорости передачи данных. Поскольку визуально отличить многомодовое волокно от одномодового практически невозможно, большинство производителей стремятся облегчить нам эту задачу. Многомодовые кабели обычно имеют оранжевую оболочку, а одномодовые — желтую.
В оптической связи используются два типа источников: светодиоды и лазеры. Первые применяются только с многомодовыми кабелями, а вторые — чаще всего с одномодовыми. Светодиоды не могут работать с одномодовыми кабелями, так как их излучение недостаточно когерентно (представьте себе попытку наполнить бутылку водой из тазика с высоты 3 метра).
По одному медному кабелю может передаваться несколько различных потоков данных за счет деления его полосы пропускания на каналы. Каждому каналу разрешается пересылать данные в течение определенного промежутка времени, таким образом все каналы по очереди получают возможность отправить свои данные. Этот метод носит название временного уплотнения — Time Division Multiplexing (TDM). Существует также частотное уплотнение — Frequency Division Multiplexing (FDM), когда каждый канал занимает определенную ему полосу частот. Примером применения FDM-систем является радио- и телевизионное вещание.
В большинстве оптических систем применяется комбинация этих двух методов уплотнения (мультиплексирования).
Хотя обычно основной проблемой оптической передачи является обеспечение достаточной мощности, чтобы сигнал мог достичь точки назначения, иногда приходится сталкиваться и с обратной проблемой. Если слишком много фотонов достигают приемника, он «слепнет» — подобный эффект наблюдается, когда человек смотрит прямо на солнце. В общем, превышение мощности — вещь не слишком хорошая для приемника. Многомодовые приемники, как правило, защищены от перегрузки, а вот одномодовые — нет, и проблемы могут возникнуть тогда, когда мощность передатчика не соответствует дальности связи.
Определяющими параметрами при производстве ВОК являются условия эксплуатации и пропускная способность линии связи.
По условиям эксплуатации кабели подразделяют на:
• монтажные;
• станционные;
• зоновые;
• магистральные.
Первые два типа кабелей предназначены для прокладки внутри зданий и сооружений. Они компактны, легки и, как правило, имеют небольшую строительную длину. Кабели последних двух типов предназначены для прокладки в колодцах кабельных коммуникаций, в грунте, на опорах вдоль ЛЭП, под водой. Эти кабели имеют защиту от внешних воздействий и строительную длину более двух километров.
Подведем итог:
У волоконно-оптических линий связи есть как свои достоинства, так и недостатки, но эти минусы ничтожны по сравнению с плюсами. В данное время многими западными странами ведется активное внедрение волоконно-оптических линий связи. Возможно, это скоро дойдет и до нас. И будем мы рассказывать нашим внукам про «витую пару» и про дискетки 1.44 Мб, а они будут смеяться.
Компьютерная газета. Статья была опубликована в номере 15 за 2003 год в рубрике сети :: network