Лекция "Волоконно-оптические линии связи"

тема 4 вопрос 8 волоконно­оптические линии связи История развития волоконно­оптических линий связи началась в 1965­1967 гг., когда появились опытные волноводные линии связи для передачи широкополосной информации, а также криогенные  сверхпроводящие кабельные линии с малым затуханием. С 1970 г. активно развернулись работы по  созданию световодов и оптических кабелей, использующих видимое и инфракрасное излучения  оптического диапазона волн. Создание волоконного световода и получение непрерывной генерации  полупроводникового лазера сыграли решающую роль в быстром развитии волоконно­оптической связи. К началу 80­х годов были разработаны и испытаны волоконно­оптические системы связи. Основные сферы  применения таких систем телефонная сеть, кабельное телевидение, вычислительная техника, система  контроля и управления технологическими процессами и т. д.  Различают 3 основных типа ЛС: кабельные, воздушные, волоконно­оптические. Кабельные и воздушные  линии относятся к проводным линиям, у которых направляющие системы образуются системами  проводник­диэлектрик. А волоконно­оптические линии представляют собой диэлектрические  волноводы, направляющая система которых состоит из диэлектриков с различными показателями  преломления, в которых осуществляется передача световых сигналов микроволнового диапазона волн от  0,8 до 1,6 мкм.  Оптический кабель (ОК) состоит из скрученных по определенной системе оптических волокон из  кварцевого стекла (световодов), заключенных в общую защитную оболочку. При необходимости, кабель  может содержать силовые (упрочняющие) и демпфирующие элементы. Существующие ОК по своему  назначению могут быть классифицированы на 3 группы: магистральные, зоновые и городские. В  отдельные группы выделяются подводные, объектовые и монтажные ОК.  Магистральные ОК предназначаются для передачи информации на большие расстояния и значительное  число каналов. Они должны обладать малыми: затуханием и дисперсией и большой информационно­ пропускной способностью. В таких кабелях используется одномодовое волокно с размерами сердцевины  и оболочки 8/125 мкм. Длина волны лежит в диапазоне от 1,3...1,55 мкм.  Зоновые ОК служат для организации многоканальной связи между областным центром и районами с  дальностью связи до 250 км. Используются градиентные волокна с размерами 50/125 мкм. Длина волны  1,3 мкм.  Городские ОК применяются в качестве соединительных между городскими АТС и узлами связи. Они  рассчитаны на короткие расстояния (до 10 км) и большое число каналов. Волокна градиентные (50/125  мкм). Длина волны 0,85 и 1,3 мкм. Эти линии, как правило, работают без промежуточных линейных  регенераторов.  Подводные ОК предназначаются для осуществления связи через большие водные преграды. Они  должны обладать высокой механической прочностью на разрыв и иметь надежные влагостойкие  покрытия. Для подводной связи важно иметь малое затухание и большие длины регенерационных  участков.  Объектовые ОК служат для передачи информации внутри объекта. Сюда относятся учрежденческая и  видеотелефонная связь, внутренняя сеть кабельного телевидения, а также бортовые информационные  системы подвижных объектов (самолет, корабль и др.).  Монтажные ОК используются для внутреннего и межблочного монтажа аппаратуры. Они выполняются в  виде жгутов или плоских лент.  Волоконная оптика сегодня получила широкое развитие и применяется в различных областях науки и  производства (связь, радиоэлектроника, энергетика, термоядерный синтез, медицина, космос,  машиностроение, летающие объекты, вычислительные комплексы и т. д.). Темпы роста волоконной  оптики и оптоэлектроники на мировом рынке опережают все другие отрасли техники и составляют 40%  в год. В ряде стран (Англия, Япония, Франция, Италия и др.) уже сейчас при строительстве сооружений  связи используют, в основном, оптические кабели. О масштабах развития волоконно­оптических систем  передачи (ВОСП) свидетельствуют объемы производства оптических волокон в США. За последнее  время ими изготовлено около 10 млн. км волокна. Такое количество позволило бы сделать 250 витков  вокруг всего земного шара.  Создание высоконадежных оптических кабельных систем связи стало возможным в результате  разработки в начале 70­х годов оптических волокон с малыми потерями. Такие волокна в значительной        мере стимулировали разработку специализированного оборудования и элементов линейного тракта  ВОСП.  В России активно ведется строительство ВОЛС различного назначения: городских, зоновых,  магистральных. В 86 городах (Мо­сква, Нижний Новгород, Петербург, Новосибирск, Тбилиси, Киев,  Баку, Ташкент, Минск, Кишинев и др.) действуют оптические соединительные линии между АТС с  цифровыми системами передачи ИКМ­120. Построен ряд зоновых линий внутриобластного назначения,  например, Петербург Сосновый бор, Уфа Стерлитамак, Тула Щекино, Воронеж Павловск, Рязань  Мосолово, Майкоп Краснодар, Клин Солнечногорск, Ростов Азов, Курская обл., Минск Смолевичи, Рига Юрмала и др. Построена одномодовая магистраль Петербург Минск протяженностью 1000 км на  большое число каналов.  В России с участием инофирм осуществляется строительство транссибирской линии (ТСЛ), которая  свяжет Японию, Россию, Европу. Общее число каналов составит 30 000. Половина из них предназначена  для России; в крупных городах, расположенных по трассе, часть этих каналов будет выделяться, вторая  половина каналов пройдет транзитом на Европу. Транссибирская линия после включения в мировую  межнациональную сеть связи замкнет глобальное волоконно­оптическое кольцо, которое охватит 4  континента (Европу, Америку, Азию, Австралию) и пройдет через 3 океана (Атлантический, Тихий,  Индийский). Оптические кабели обладают следующими достоинствами:  широкополосность, возможность передачи большого потока информации (несколько  тысяч каналов);  км);  малые потери и, соответственно, большая длина трансляционных участков (30...70 и 100  малые габаритные размеры и масса (в 10 раз меньше, чем электрических кабелей);  высокая защищенность от внешних воздействий и переходных помех;  надежная техника безопасности (отсутствие искрения и короткого замыкания).  К недостаткам ОК относятся:  подверженность волоконных световодов радиации, за счет которой появляются пятна  затемнения и возрастает затухание;  водородная коррозия стекла, приводящая к микротрещинам световода и ухудшению его свойств.  Для систем связи существенными являются показатели 1 5, для автоматизированных систем управления  и ЭВМ­показатели 1, 2, 3. Мобильные подвижные системы требуют выполнения, в первую очередь,  показателей 1, 2, 6. Изготовляемые в настоящее время ОК имеют 2 разновидности: ОКм кабель с  металлическими элементами (оболочки, жилы дистанционного питания, силовые проводники) и ОКд  кабели полностью диэлектрические, без металла. Первые, как и электрические кабели, подвержены всем  видам влияний (гроза, коррозия, ЛЭП и т. д.), поэтому повреждения у них аналогичные. Вторые   ­свободны от этих влияний, но их конструкции, не имеющие металлических оболочек, менее стойки к  внешним механическим воздействиям (повреждения, стихийные бедствия, просадка грунта, мерзлотные  явления, грызуны и т. д.). Установлено, что плотность механических повреждений ОКд, примерно, в 1,3  раза больше, чем ОКм.  С учетом этих особенностей в таблице приведены данные плотности повреждений (m) и времени  восстановления (Tв) электрических, оптических с металлом (ОКм) и оптических, полностью  диэлектрических (ОКд) кабелей. Для ОКд рассмотрены 2 варианта: ОКд1 учтено увеличение  механических повреждений в 1,3 раза; ОКд2 без учета этого коэффициента. Такой кабель должен иметь  надежную механическую защиту из неметаллических оболочек (стеклопластик, полиэтиленовая труба).  Данные в таблице показывают,  что наибольший удельный вес составляют механические повреждения  (48,8%), велико также влияние стихийных бедствий (22%). Удельный вес агрессии молнии составляет  17,4%. Для устранения повреждений наибольшего времени требуют стихийные воздействия (мерзлотные  трещины, удары молнии, паводки и др.).  Из таблицы видно, что общее время восстановления повреждений для электрических и оптических  кабелей с металлом составляет 511 ч, а у диэлектрических кабелей ОК1 452 ч (с учетом увеличения  механических повреждений в 1,3 раза) и ОКд2 359 ч (без учета). Тогда, имея ввиду, что для  электрических кабелей гарантированный срок службы составляет 25 лет, получим ОКд1=28,2 года,  ОКд2=36,5 лет. Для повышения надежности и срока службы ОК рекомендуется: защищать кабель от воды и механических повреждений, прокладывать его в полимерных трубах и ставить их под газовое  давление, использовать традиционные методы повышения надежности, состоящие в увеличении глубины  прокладки кабеля и применении грозозащитных тросов (для ОКм).  Область возможных применений ВОЛС широка от линии городской и сельской связи и бортовых  комплексов (самолеты, ракеты, корабли) до систем связи на большие расстояния с высокой  информационной емкостью. На основе оптической волоконной связи могут быть созданы новые системы  передачи информации. Перспективным направлением является применение оптических систем в  кабельном телевидении, которое обеспечивает высокое качество изображения и существенно расширяет  возможности информационного обслуживания абонентов.  В оптических системах передачи применяются те же методы образования многоканальной связи, что и в  обычных системах передачи по электрическому кабелю, т. е. частотный и временной методы разделения  каналов. Во всех случаях оптической передачи электрический канал, создаваемый частотным или  временным методом, модулирует оптическую несущую. В модулированном виде световой сигнал  передается по ОК. В основном, используется способ модуляции интенсивности оптической несущей, при  которой от амплитуды электрического сигнала зависит мощность излучения, подаваемая в кабель.  В оптических системах передачи применяется цифровая (импульсная) передача. Это обусловлено тем,  что аналоговая передача требует высокой степени линейности промежуточных усилителей, которую  трудно обеспечить в оптических системах.  Таким образом, более распространенной волоконно­оптической системой связи является цифровая  система с временным разделением каналов и импульсно­кодовой модуляцией, использующая модуляцию  интенсивности излучения источника. Дуплексная связь осуществляется по двум волоконным световодам, каждый из которых предназначен для передачи информации в одном направлении. В оптических  системах связи используются преимущественно цифровые системы передачи­ИКМ на 30, 120, 480 и 1920 каналов.  Волоконная оптика развивается по 6 направлениям:  1. многоканальные системы передачи информации;  2. кабельное телевидение;  3. локальные вычислительные сети;  4. датчики и системы сбора обработки и передачи информации;  5. связь и телемеханика на высоковольтных линиях;  6. оборудование и монтаж мобильных объектов.  Многоканальные ВОСП начинают широко использоваться на магистральных и зоновых сетях связи  страны, а также для устройства соединительных линий между городскими АТС. Объясняется это  большой информационной способностью ОК и их высокой помехозащищенностью. Особенно  эффективны и экономичны подводные оптические магистрали.  Применение оптических систем в кабельном телевидении обеспечивает высокое качество изображения и  существенно расширяет возможности информационного обслуживания индивидуальных абонентов. В  этом случае реализуется заказная система приема и предоставляется возможность абонентам получать  на экране своих телевизоров изображения газетных полос, журнальных страниц и справочных данных из  библиотеки и учебных центров.  На основе ОК создаются локальные вычислительные сети различной топологии (кольцевые, звездные и  др.). Такие сети позволяют объединять вычислительные центры в единую информационную систему с  большой пропускной способностью, повышенным качеством и защищенностью от несанкционированного  допуска.  Волоконно­оптические датчики способны работать в агрессивных средах, надежны, малогабаритны и не  подвержены электромагнитным воздействиям. Они позволяют оценивать на расстоянии различные  физические величины (температуру, давление, ток и др.). Датчики используются в нефтегазовой  промышленности, системах охранной и пожарной сигнализации, автомобильной технике и др.  Перспективным направлением является применение ОК на высоковольтных линиях электропередачи  (ЛЭП) для организации технологической связи и телемеханики. Оптические волокна встраиваются в  фазу или трос. Здесь реализуется высокая защищенность каналов от электромагнитных воздействий ЛЭП и грозы. В последнее время появилось новое направление в развитии волоконно­оптической техники  использование среднего инфракрасного диапазона волн 2...10 мкм. Ожидается, что потери в этом  диапазоне не будут превышать 0,02 дБ/км. Это позволит осуществить связь на большие расстояния с  участками регенерации до 1000 км. Исследование фтористых и халькогенидных стекол с добавками  циркония, бария и других соединений, обладающих сверхпрозрачностью в инфракрасном диапазоне волн, дает возможность еще больше увеличить длину регенерационного участка.  Другим перспективным направлением развития ВОЛС является использование метода частотного  разделения каналов, который заключается в том, что в световод одновременно вводится излучение от  нескольких источников, работающих на разных частотах, а на приемном конце с помощью оптических  фильтров происходит разделение сигналов. Такой метод разделения каналов в ВОЛС получил название  спектрального уплотнения или мультиплексирования.  В перспективе, в ВОЛС предполагается использовать преобразование речевых сигналов в оптические  непосредственно с помощью акустических преобразователей. Уже разработан оптический телефон и  проводятся работы по созданию новых АТС, коммутирующих световые, а не электрические сигналы.  Имеются примеры создания многопозиционных быстродействующих оптических переключателей,  которые могут использоваться для оптической коммутации.  На базе ОК и цифровых систем передачи создается интегральная сеть многоцелевого назначения,  включающая различные виды передачи информации (телефонирование, телевидение, передача данных  ЭВМ и АСУ, видеотелефон, фототелеграф, передача полос газет, сообщений из банков и т. д.). В  качестве унифицированного принят цифровой канал ИКМ со скоростью передачи 64 Мбит/с (или 32  Мбит/с).  Волоконно­оптическая линия связи (ВОЛС) ГК «ITBERRY» предлагает воспользоваться по­настоящему быстрым и надежным способом доступа в  сеть Интернет и объединения локальных сетей: через волоконно­оптический канал на скоростях 10  Мбит/с или 100 Мбит/с. Строительстве ВОЛС  Дизайн сайта ­ цены  Новые технологии при строительстве ВОЛС в зданиях и  между ними.  Разработаем дизайн сайта ­ цены смотрите тут.  accent­telecom.ru  Реклама design.trilan.ru  Волоконно­оптическая линия связи (ВОЛС) представляет собой волоконно­оптическую систему,  состоящую из пассивных и активных элементов, предназначенных для передачи светового потока по  оптоволоконному кабелю. ВОЛС могут как образовывать новую сеть, так и служить для объединения уже существующих сетей —  участков магистралей оптических волокон, объединённых физически — на уровне световода, либо  логически — на уровнях протоколов передачи данных. В случае объединения на физическом уровне используется сварка волокна или механическое соединение, позволяющее создать физическое соединение между отправителем и получателем сигнала, что даёт  высокий уровень безопасности отправляемым данным. В случае объединения на логическом уровне применяются протоколы маршрутизации, реализованные в  соответствии со стандартами (разработками) вычисляемых векторов коммутации пакетов данных. ВОЛС целесообразно использовать при объединении локальных сетей в разных зданиях, в многоэтажных  и протяжённых зданиях, а также в сетях, где предъявляются особо высокие требования к  информационной безопасности и защите от электромагнитных помех. В настоящее время ВОЛС  считаются самой совершенной физической средой для передачи информации. Клиенты: Области применения и классификация волоконно­оптических кабелей (ВОК) Волоконно­оптические кабели, применяемые в СКС, предназначены для передачи оптических сигналов  внутри зданий и между ними. На их основе могут быть реализованы все три подсистемы СКС, хотя в  горизонтальной подсистеме волоконная оптика пока находит ограниченное применение для обеспечения  функционирования ЛВС. В подсистеме внутренних магистралей оптические кабели применяются  одинаково часто с кабелями из витых пар, а в подсистеме внешних магистралей они играют  доминирующую роль.  В зависимости от основной области применения волоконно­оптические кабели подразделяются на три  основных вида: кабели внешней прокладки (outdoor cables); кабели внутренней прокладки (indoor cables); кабели для шнуров. Кабели внешней прокладки используются при создании подсистемы внешних магистралей и связывают  между собой отдельные здания. Основной областью использования кабелей внутренней прокладки  является организация внутренней магистрали здания, тогда как кабели для шнуров предназначены в  основном для изготовления соединительных и коммутационных шнуров, а также для выполнения  горизонтальной разводки при реализации проектов класса «fiber to the desk» (волокно до рабочего места)  и «fiber to the room» (волокно до комнаты). Общую классификацию оптических кабелей СКС можно  представить в виде как показано на рисунке. Преимущества ВОЛС  Передача информации по ВОЛС имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю.  Стремительное внедрение в информационные сети Волс является следствием преимуществ, вытекающих  из особенностей распространения сигнала в оптическом волокне.  Широкая полоса пропускания ­ обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей 1014Гц. Это дает  потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько  терабит в секунду. Большая полоса пропускания ­ это одно из наиболее важных преимуществ  оптического волокна над медной или любой другой средой передачи информации. Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и  зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2­0,3 дБ на длине  волны 1,55 мкм в расчете на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить  участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 км и более. Низкий уровень шумов в волоконно­оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем  передачи различной модуляции сигналов с малой ибыточностью кода.  Высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно  невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и  электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии  электропередачи, электродвигательные установки и т.д.). В многоволоконных кабелях также не  возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным  медным кабелям. Клиенты: Малый вес и объем. Волоконно­оптические кабели (ВОК) имеют меньший вес и объем по сравнению с  медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность. Например, 900­парный  телефонный кабель диаметром 7,5 см, может быть заменен одним волокном с диаметром 0,1 см. Если  волокно "одеть" в множество защитных оболочек и покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого  ВОК будет 1,5 см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля. Высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучает в  радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема­ передачи. Системы мониторинга (непрерывного контроля) целостности оптической линии связи,  используя свойства высокой чувствительности волокна, могут мгновенно отключить "взламываемый"  канал связи и подать сигнал тревоги. Сенсорные системы, использующие интерференционные эффекты  распространяемых световых сигналов (как по разным волокнам, так и разной поляризации) имеют очень  высокую чувствительность к колебаниям, к небольшим перепадам давления. Такие системы особенно  необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других  специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных.  Гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического волокна заключается в его  изолирующем свойстве. Волокно помогает избежать электрических "земельных" петель, которые могут  возникать, когда два сетевых устройства неизолированной вычислительной сети, связанные медным  кабелем, имеют заземления в разных точках здания, например на разных этажах. При этом может  возникнуть большая разность потенциалов, что способно повредить сетевое оборудование. Для волокна  этой проблемы просто нет. Взрыво­ и пожаробезопасность. Из­за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает  безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании  технологических процессов повышенного риска. Экономичность ВОК. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния,  широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличии от меди. В настоящее время  стоимость волокна по отношению к медной паре соотносится как 2:5. При этом ВОК позволяет  передавать сигналы на значительно большие расстояния без ретрансляции. Количество повторителей на  протяженных линиях сокращается при использовании ВОК. При использовании солитонных систем  передачи достигнуты дальности в 4000 км без регенерации (то есть только с использованием оптических  усилителей на промежуточных узлах) при скорости передачи выше 10 Гбит/с. Длительный срок эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию. Это означает, что  затухание в проложенном кабеле постепенно возрастает. Однако, благодаря совершенству современных  технологий производства оптических волокон, этот процесс значительно замедлен, и срок службы ВОК  составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений/стандартов приемо­ передающих систем. Удаленное электропитание. В некоторых случаях требуется удаленное электропитание узла  информационной сети. Оптическое волокно не способно выполнять функции силового кабеля. Однако, в  этих случаях можно использовать смешанный кабель, когда наряду с оптическими волокнами кабель  оснащается медным проводящим элементом. Такой кабель широко используется как в России, так и за  рубежом.