Новые технологии при строительстве ВОЛС в зданиях и между ними.

1. Введение.

Современное состояние рынка систем связи предъявляет особые требования к качеству и специальным характеристикам среды передачи данных. До последнего времени повсеместное применение для создания магистральных линий связи находили различные виды медных кабелей (коаксиальные, многопарные и т.д.), что привело к появлению серьезных трудностей при переходе на новые типы коммуникационного оборудования. Основными причинами этого являются: большое затухание сигнала в кабеле (десятки Дб/км), сравнительно малая полоса пропускания медного кабеля и значительное сужение полосы пропускания при увеличении длины линии. При строительстве локальных вычислительных сетей (ЛВС) область применения медных кабелей, кроме того, ограничивается требованиями по электробезопасности. Появившиеся не так давно линии связи на основе волоконно - оптических кабелей (ВОЛС) свободны от описанных недостатков и все более часто применяются в различных системах передачи информации, в том числе - в локальных и распределенных вычислительных сетях.

2. Виды оптических волокон, преимущества и недостатки. Оптическое волокно, немного теории.

Оптическое волокно представляет собой тонкий (5 ... 140 мкм) кварцевый сердечник, покрытый кварцевой оболочкой внешним диаметром 125 ... 200 мкм. Оптический коэффициент преломления покрытия несколько меныше, чем сердечника, что заставляет закачиваемый в волокно световой луч почти полностью отражаться от границы сердечник/покрытие и распространяться по сердечнику с очень малыми потерями.

Существует два основных типа оптических волокон - многомодовые и одномодовые.

В одномодовом оптическом волокне (рис. 1) сердечник имеее очень малый диаметр (не более 10 мкм). При передаче по нему оптического сигнала, луч, обладающий определенной длиной волны, имеет только один возможный путь распространения внутри сердечника. С другой стороны, для введения мощного пучка света в сердечник диаметром 5 - 10 мкм, необходимо применять высококачественные полупроводниковые лазеры, излучающие в очень узком спектре. Таким образом получается, что в одномодовом волокне распространяется единственный луч света и не происходит интерференционных искажений сигнала практически на любой длине кабеля. При передаче информации по одномодовым волокнам возможно получение полосы пропускания линии до 2 ГГц, причем не существует зависимости полосы от длины линии. Затухание сигнала не превышает 0.3 ... 0.7 Дб/км. Передача информации по одномодовым оптическим волокнам производится на длинах волн 1.3 и 1.55 мкм. Недостатком одномодовых ВОЛС является высокая стоимость оконечного оборудования, которая во многом определяется стоимостью лазеров и соответствующих фотоприемников.

Многомодовые оптические волокна (рис. 2) имеют значительно больший диаметр сердечника (50, 62.5, 100, 140 мкм), что позволяет применять более дешевые и надежные светоизлучающие элементы - суперлюминесцентные светодиоды. Ширина спектра излучения у этих устройств не так мала, как у лазеров, а диаметр сердечника волокна допускает существование нескольких путей распространения лучей каждой длины волны, что приводит к возникновению интерференции между ними. Полоса пропускания многомодового оптического волокна сужается до 800 ... 900 Мгц и появляется ее зависимость от длины линии. Затухание сигнала в многомодовых волокнах может составлять 0.5 ... 7 Дб/км. По многомодовым волокнам передают сигналы на длинах волн 1.3 и 0.85 мкм.

Основным преимуществом волоконно - оптических кабелей является очень большая полоса пропускания и малые затухания сигналов. Благодаря этим свойствам их прежде всего стали применять для создания магистральных линии связи, требующих передачи широкополосных сигналов на расстояния в десятки километров без ретрансляции. При использовании ВОЛС в ЛВС они позволяют не только решеть задачи связи удаленных участков системы, но и гальванически развязывать сегменты сети, не имеющие общего контура заземления или подключенные к различным фазам питающего напряжения. Применение оптических кабелей также рекомендуется для повышения помехоустойчивости и защищенности системы от несанкционированного доступа.

 

3. Новые технологии ВОЛС в ЛВС.

 

ВОЛС в различных стандартах ЛВС.

Проектирование и строительство крупной современной ЛВС невозможно без использования оптических линий, причем область их применения определяется как чисто физическими причинами (расстояния между частями сети, гальваническая развязка и т.п.), так и применяемыми сетевыми протоколами (Ethernet, TokenRing, FDDI, ATM), а также - типом и свойствами подключаемого к сети оконечного оборудования. Возможность использования оптических кабелей предусматривается в любом из распространенных стандартов компьютерных сетей. Более ранние, такие как Ethernet и TokenRing, рассматривают ВОЛС как средство организации хребтовых соединений и подключения удаленных на несколько километров участков сети к центральной ЛВС. В новейших высокоскоростных протоколах (FDDI, ATM) оптические кабели избраны базовой средой передачи сигналов, так как только они обеспечивают необходимую при больших скоростях передачи данных очень малую и постоянную вероятность ошибки.

Особенности ВОЛС в зданиях.

Наиболее важной особенностью построения ВОЛС в здании являются малые расстояния (до 2 км), отсутствие жестких требований к затуханиям и большое количество соединяемых точек. Важно также учитывать, что нормы пожарной безопасности не позволяют использовать для прокладки в помещениях любые виды кабелей, имеющих горючие или излучающие при нагревании отравляющие вещества внешние оболочки. Многие специалисты по сетевым технологиям считают, что в зданиях можно прокладывать слабозащищенные или вообще неармированные кабели. Наличие в большинстве организаций нескольких отделов, отвечающих за кабельное хозяйство (телефонисты, отдел ЛВС, электрики) создает условия для ненамеренного или сознательного обрыва "чужих" кабелей, проложенных в общих кабельных каналах. Защита сети от грызунов, которые также не оставляют своим вниманием оптические кабели, требует применения хотя бы ленточного бронирования при прокладке межэтажных коммуникаций.

Оптические коммутационные панели.

Каждый конец оптического кабеля разделывается в коммутационной панели, имеющей на передней стенке от 4 до 16 оптических проходных втулок (см. рис. 3). На концы зачищенных оптических волокон монтируются разъемы, подключаемые к проходным втулкам. Существуют настенные и устанавливаемые в аппаратные стойки оптические коммутационные панели. Они выпускаются несколькими фирмами и могут выглядеть весьма экзотически.

При выборе подходящей панели необходимо обратить внимание на следующие параметры:


Иногда при строительстве оптических линий по удешевленной технологии применяют прямую подварку волокон оптических интерфейсных кабелей внутри оптической панели к волокнам магистрального кабеля, что позволяет сэкономить на разъемах и получить выигрыш по затуханию в линии на 0.5 ... 1.5 Дб. Подобная оконцовка кабелей не рекомендуется к применению в ЛВС, так как при большом количестве соединений вероятность обрыва незащищенного интерфейсного кабеля довольно высока, а данная технология требует разборки оптической коммутационной панели и применения сложного сварочного оборудования при восстановлении линии после обрыва волокна.

Оптические разъемы

Начиная с 1993 года большинство ВОЛС в ЛВС во всем мире строится с применением оптических разъемов типа ST или ST2. Внешний вид этих разъемов (рис. 4) и параметры прецезионной части (наконечника) полностью совпадают. Различие состоит в способе соединения крепежной байонетной гайки и тела разъема (в ST гайка подвижна, а в ST2 составляет с телом разъема единое целое, что позволяет обеспечить постоянство центрирования наконечника в розетке) (см. рис.4).

Применявшийся ранее разъем SMA 905 имеет несовместимый с ST тип наконечника и резьбовую гайку, что усложняет его установку и иногода приводит к "скручиванию" волокна в разъеме при подключении его к оборудованию.

Технологии заделки оптических разъемов.

Существует несколько основных технологий заделки оптических разъемов, поддерживаемых различными фирмами. Так, например, компания 3М работает с наиболее перспективной и простой технологией "горячей заделки" оптических разъемов при которой волокно вставляется в предварительно разогретый разъем, внутренний канал которого наполнен затвердевающим при остывании клеем. Выступающее из наконечника волокно скалывается при помощи специального сапфирового резака и после этого торец наконечника полируется на микронной шкурке для получения качественного среза. Данная технология наиболее привлекательна для строительства ЛВС, так как весьма проста и позволяет добиваться хороших результатов (затухание 0.5 ... 1 Дб на разъем) при монтаже разъемов в "полевых" условиях.

Многие фирмы-производители применяют "холодную" (с заливкой эпоксидного клея) и "обжимную" (механическая фиксация волокна) технологии заделки оптических разъемов ST. Детальное рассмотрение преимуществ и недостатков этих типов разъемов и технологий их заделки не может быть приведено в рамках данной статьи из-за большого объема материала.

Технология быстрого монтажа оптических коммутационных панелей.

Около года назад британской компанией BICC Brand Rex была предложена технология быстрой установки оптических коммутационных панелей MT-Connect, построенная на основе 4, 8 или 12 - волоконного миниатюрного разъема МТ. Для заделки в него волокон оптического кабеля необходимо иметь специальный недорогой набор инструметов. Зачищенные на длину 30 ... 40 см волокна пропускаются через специальную печку, в которой из отдельных волокон создается так называемая "оптическая лента". Спеченные в ленту волокна закрепляются в разъеме каплей эпоксидной смолы, а затем лента скалывается и торец разъема полируется на микронных шкурках. В комплект коммутационных панелей включаются заделанные на заводе кабели МТ/4(8,12) ST, которые подключаются к проходным втулкам. Время монтажа панели при этом уменьшается до времени заделки одного разъема! Вносимое оптическое затухание в месте стыка составляет 0.3 ... 0.8 Дб. Подобная технология находит широкое применение при монтаже больших ЛВС, так как в несколько раз уменьшает время установки оптической сети. Недостатком ее является повышение стоимости оптической коммутационной панели.

Структурированные волоконно - оптические сети.

Широкое применение структурированных кабельных систем в крупных и небольших зданиях существенно повысило требования к гибкости создаваемых оптических сетей. Наиболее интересным примером использования новейших технологий в ВОЛС является структурированная оптическая кабельная система Blow Light, разработанная совместно компаниями British Telecom и BICC Brand Rex. Основная идея этой системы - придание оптической кабельной сети в здании гибкости, присущей сети на витой паре. При строительстве кабельной системы между этажами и по ним вместе с кабелями витой пары прокладываются специальные полимерные трубки, имеющие внешний диаметр и предельные радиусы изгиба эквивалентные UTP категории 5. Между этажами или зданиями может быть проложен армированный кабель, состоящий из 4 ... 7 таких трубок. Стоимость трубки составляет около 400$ за 1 км, что близко к стоимости километра витой пары категории 5. В аппаратной стойке конец каждой трубки монтируется в отдельную ячейку специальной модульной коммутационной панели (рис.5), а в помещениях - в оптические розетки, устанавливаемые в короб или прямо на стену. После установки системы при помощи небольшого специализироаванного компрессора в трубки продувается со скоростью 3 м/с по 4 оптических волокна одновременно. Волокна оконцовываются оптическими разъемами ST2, подключаемыми внитри модульных панелей и розеток к проходным втулкам. Созданная топология оптической сети может легко меняться путем продувки волокон в любые помещения, а стоимость системы в несколько раз меньше стоимости "жесткой" оптической сети на обычных многоволоконных кабелях. Оптимизация стоимости проекта кабельной сети, содержащей ВОЛС.

Использование новых технологий позволяет уменьшить стоимость подключения узла к системе, но их успешное применение связано с наличием опыта и качественного инструментария у производящих монтаж специалистов. Следует весьма аккуратно сочетать витую пару и оптику при создании структурированных кабельных систем. При неправильном использовании "волокна" перегрузка системы оптическими линиями может повысить стоимость сети в 2 - 3 раза и не принести какого - либо выигрыша по пропускной способности, надежности или защищенности данных. С другой стороны, погоня за дешевизной сети на витой паре значительно снижает надежность системы, принося выигрыш в стоимости всего на 10 - 20%. Естественно, понятие "оптимальной" стоимости проекта зависит больше всего от финансовых возможностей Заказчика и его готовности оплачивать недешевые, но высококачественные решения, однако вопрос о включении или исключении ВОЛС из проекта ЛВС должен определяться прежде всего техническими требованиями к системе. Построение оптимальных кабельных систем подразумевает анализ всех составляющих компьютерной сети, включая оценку объемов передаваемой в единицу времени информации, типов подключаемого оборудования и особенностей работающего на сети матобеспечения.

Расчет стоимости проекта с применением ВОЛС обязательно должен включать обучение специалистов Заказчика, набор расходных материалов и запасных частей, а также стоимость технической поддержки системы.

4. Объединение информационных сетей в различных зданиях посредством ВОЛС.

Экономическая эффективность строительства выделенных оптических линий.

При создании распределенных высокоскоростных сетей, например, с целью объединения банка и его филиалов, перед Заказчиком встает сложный вопрос выбора между несколькими возможными путями организации линий связи. Мы не будем рассматривать связь через сети Х.25 или по выделенным телефонным каналам из-за их весьма малой пропускной способности (до 128 кбит/с).

Остается вариант аренды оптических линий связи у коммуникационных компаний или строительство собственных ВОЛС. Стоимость аренды канала с пропускной способностью 2.048 Мбит/с в Москве составляет от 2.500 до 4.000 $ в месяц, а прокладки 1 км оптическиой линии (с кабелем, работами, тестированием) - около 8.000 ... 10.000 $. Затратив деньги на прокладку оптического кабеля, Заказчик получает в собственность 8 оптических волокон с пропускной способностью 2 Гбит/с каждое и должен платить в процессе эксплуатации только весьма небольшую ежегодную плату за аренду подземных кабельных коммуникаций и обслуживание линии.

Применяемые типы кабелей и оптических разъемов.

Для строительства оптических линий между зданиями в 90% случаев применяется одномодовый оптический кабель, позволяющий осуществить передачу сигналов на расстояние десятков километров без ретрансляции. Наиболее часто прокладывается отечественный бронированный кабель, имеющий минимально возможную стоимость при сохранении приемлемого качества и гарантийных сроков эксплуатации. Для монтажа ВОЛС в сложных климатических условиях или на длинных линиях можно применить импортные кабели, имеющие затухание не более 0.3 Дб/км и условия эксплуатации -70 ...+50 С. В "классической" (т.е. используемой для передачи телефонных каналов) ВОЛС на одномодовом кабеле применяются прецезионные оптические разъемы типа FC/PC, но при организации передачи данных (TokenRing, АТМ) в оптических коммутационных панелях подобных ВОЛС часто устанавливаются одномодовые версии распространенного разъема ST. При создании сети FDDI часто используют комбинированные разъемы MIC, имеющие сразу два оптических наконечника (для приемника и передатчика) в одном корпусе. Все эти типы разъемов различаются по вносимому затуханию и способу сочленения с оборудованием и выбор конкретного их типа производится, в основном, в соответствии с имеющимися на оконечных устройствах оптическими интерфейсами.

Способы неразъемного соединения оптических волокон, преимущества и недостатки.

При строительстве длинных ВОЛС практически невозможно проложить кабель единым куском от одной оптической коммутационной панели до другой. Приходится применять сварку оптических волокон при помощи специальных устройств, имеющих различные характеристики по качеству сварки, методам измерения вносимого затухания и условиям эксплуатации. После сварки оптических волокон точки сварки укрепляют термоусадочной трубкой, а весь участок кабеля со сваркой заделывается в специальную оптическую муфту, которая может быть установлена в кабельной канализации. Установка оптической сварки представляет собой портативное устройство и состоит из четырех основных элементов:


Данный способ является наиболее качественным и надежным, но большая стоимость установки сварки и высокие требования к квалификации специалиста делают метод рентабельным только при массовом производстве таких работ.

Довольно сложный процесс сварки оптических волокон сегодня пытаются заменять на упрощенные технологии, такие как соединение волокон посредством специального неразборного обжимного соединителя - сплайсера (компания 3М). Соединение одного волокна занимает не более 1 ... 2 минут, но вносимое затухание и защищенность стыка от влаги значительно уступают сварному соединению. Этот метод очень чувствителен к точности внешнего диаметра (125 мкм) сращиваемых оптических волокон и может обеспечить высокое качество соединений только на импортном волокне.

5. Измерения ВОЛС.

Измерительные устройства, области применения.

Основным параметром оптической линии является вносимое затухание сигнала. Для проведения измерений суммарного затухания многомодовых линий применяются различные типы оптических тесторов. Они состоят из источника и приемника сигнала и выпускаются комплектами на длину волны 0.85 или 1.3 мкм. Это наиболее простое из измерительных устройств весьма удобно при строительстве ВОЛС в ЛВС. Его недостатком является необходимость использования на другом конце линии источника оптического сигнала и невозможность точно определить место обрыва или некачественной сварки волокна.

Оптические рефлектометры явлчются более сложным и дорогим классом измерительных приборов. Существует несколько десятков типов подобных приборов, но все они основаны на использовании эффекта рассеяния света от неоднородностей в сердечнике оптического волокна. Входящий в состав рефлектометра мощный лазер посылает в волокно короткий импульс, а затем прибр переключается "на прием" и улавливает поступающие обратно слабые отраженные сигналы. Таким образом, применяя этот своеобразный "локатор" можно не только определить затухание в линии, доступной только с одного конца, но и определить точное расстояние до каждой неоднородности в оптическом волокне (плохо заделанные разъемы, сварки). При помощи рефлектометра можно, также, определить качество разъемных и неразъемных соединений оптических волокон. Наиболее совершенные рефлектометры имеют встроенный принтер для распечатки рефлектограмм и возможность подключения к персональному компьютеру. Из-за высокой стоимости и сложности эксплуатации (юстировка, обслуживание) данных приборов их чаще всего применяют при прокладке длинных оптических линий. Рефлектометр позволяет точно определить некачественные участки и соединения, а также выдать протокол измерений, который является документом, удостоверяющим качество проведения работ.

6. Будущее ВОЛС в информационных технологиях.

 

Оптические кабели открывают новые возможности для организации высококачественноых широкополосных сетей связи и развивающиеся современные коммуникационные технологии все более и более ориентируются на применение ВОЛС как базовой среды передачи информации. Весьма показательно, что стандарт FDDI, например, был сначала разработан и принят на основе оптических линий, а уже потом появилась его модификация с применением витой пары. Нынешний год должен стать годом полного принятия стандарта АТМ и появления первых массовых коммерческих установок таких сетей. Все физические протоколы, входящие в АТМ (SONET, SDH, TAXI и т.д.) используют оптические кабели в качестве основной среды передачи, а в самом стандарте АТМ для увеличения скорости обработки сигналов устранено большинство процедур исправления ошибок и работоспособность системы полностью зависит от качества межузловых линий связи.