исследование возможности использования одноволоконного режима работы ВОЛС для передачи данных

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Физико-технический факультет

Кафедра оптоэлектроники

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОДНОВОЛОКОННОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ВОЛС ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Работу выполнил Александрович Александр Петрович

Специальность 210401.65 - Физика и техника оптической связи

Научный руководитель

кандидат технических наук, профессор Ю. Н. Белов

Нормоконтролер инженер И. А. Прохорова

Краснодар 2015

РЕФЕРАТ

ОДНОВОЛОКОННЫЙ РЕЖИМ, ДВУХВОЛОКОННЫЙ РЕЖИМ, ОБРАТНОЕ ОТРАЖЕНИЕ, РЭЛЕЕВСКОЕ РАССЕЯНИЕ, КОННЕКТОРЫ, FTTH

Работа посвящена экспериментальному исследованию возможности введения одно-волоконного режима на одной длине волны на прием и передачу с помощью не селективных Y-образных разветвителей.

Цель работы: На основе исследований возможности использования оптического кабеля в одноволоконном режиме для передачи дискретной информации проанализировать пути увеличения пропускной способности ВОЛС.

В результате проведения эксперимента удалось установить, что линия работает в одноволоконном режиме на одной длине волны, В следствии чего можно увеличить эффективность использования оптических кабелей на участке: от абонента до коммутатора агрегации. Так же выполнен расчет длины регенерационного участка линии при введении одноволоконного режима работы ВОЛС.

СОДЕРЖАНИЕ

оптический сеть связь

Введение

1 Тенденции развития оптических сетей связи

2 Проблемы распространения света в оптическом волокне

2.1 Разъемные оптические соединения

3 Технологии широкополосного доступа

3.1 Технология ADSL

3.2 Технология FTTХ

4 Исследование работы оборудования FTTB в одноволоконном режиме

4.1 Схема экспериментальной установки

4.2 Технология проведения исследования

4.3 Расчеты длины абонентской линии при применении ШПД в одноволоконном режиме

Заключение

Список использованных источников

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

FTTX ? (fiber to the x -- оптическое волокно до точки X) -- общий термин для любой телекоммуникационной сети, в которой от узла связи до определенного места (точка X) доходит волоконно-оптический кабель.

ВОЛС - волоконно - оптическая линия связи.

АРС ? (Angled Physically Contact) - угловой физический контакт, обозначает коннекторы, с полированными под углом наконечниками.

Рэлеевское рассеяние ? когерентное рассеяние света без изменения длины волны (называемое также упругим рассеянием) на частицах, неоднородностях или других объектах, когда частота рассеиваемого света существенно меньше собственной частоты рассеивающего объекта или системы.

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) -- асимметричная цифровая абонентская линия)

ВВЕДЕНИЕ

В россии бурными темпами развивается уровень предоставляемых информационных услуг. Так же есть очевидная проблема - большая площадь страны. Многие населенные пункты находятся далеко друг от друга. Хорошим решением являются Волоконно-оптические линии передачи. Благодаря им можно без особых проблем соединять города между собой. Но оптические линии передачи стоят дорого. В связи с этим подключение многих сельских местностей является не рентабельным. Многие оптические линии были проложены 10-15 лет назад. В те годы не было проведено расчета для широкополосного доступа, в первую очередь линии прокладывались для цифровизации телефонной сети.

В больших городах России наблюдается интенсивное строительство жилых микрорайонов плотной многоэтажной застройкой. В связи с тенденциями развития качества предоставляемых услуг в сфере связи, наиболее актуальным вариантом является использование технологии FTTB, которая позволяет абоненту получить широкополосный доступ к сетевым ресурсам. Многие поставщики услуг связи сталкиваются с препятствиями, связанными с нехваткой оптических волокон. В некоторых случаях для увеличения пропускной способности ВОЛС можно использовать одноволоконный режим передачи данных.

Основными являются два варианта перевода оптической линии в одноволоконный режим. Первым является использование селективных оптических разветвителей. Данный метод позволяет использовать оптическое волокно на разных длинах волн. Вторым способом является использование WDM SFP модулей. Данный метод так же позволяет использовать одно волокно для передачи в двух направлениях на разных длинах волн, но это более дорогой вариант.

Самым дешевым методом перевода в одноволоконный режим может являться использование не селективных разветвителей. Но связи с появлением различного рода нелинейных эффектов в волокне данный метод сильно укорачивает длину регенерационного участка. На сколько и как можно увеличить длину регенерационного участка, при использовании этого метода будет рассмотрено в данной дипломной работе.

1 Тенденции развития оптических сетей связи

Количество российских домохозяйств, имеющих фиксированный широкополосный доступ в интернет, по итогам 2014 года составило 29,7 млн, увеличившись по сравнению с к концом 2013 года на 5%, проникновение услуги достигло 53,6%, сообщается в исследовании, проведенном компанией J'son & Partners Consulting.

По предварительным итогам, объем российского рынка ШПД в сегменте частных пользователей в 2014 году вырос на 4% и составил почти 110 млрд рублей.

По прогнозам исследователей, в ближайшие два года рост абонентов фиксированного ШПД будет на уровне 2-3% в год. К 2016 году число абонентов составит 31,4 млн. Объем рынка продолжит расти также на 2-3% за счет увеличения абонентов.

Рост рынка будет происходить за счет таких факторов, как экстенсивное увеличение географического охвата и развитие сетей передачи данных, рост числа принимающих устройств и как следствие рост требуемой полосы на одно домохозяйство, повышение привлекательности тарифных планов за счет комплексных тарифов.

Основным фактором, который обеспечит увеличение количества абонентов, будет, по мнению аналитиков, экстенсивный рост охвата малых населенных пунктов сетями связи средних и крупных интернет-провайдеров. В связи с этим, отмечается в исследовании, возможно оживление провайдеров спутникового ШПД.

Стоит отметить, что развитие сетей мобильной связи по технологии LTE пока не оказывает существенного влияния на развитие фиксированного доступа в интернет, данная технология распространена в основном в региональных центрах и скорее дополняет потребность в быстром интернете вне дома.

В тарифной политике операторов, согласно прогнозам компании, продолжится упор на специальные предложения по тарифам и пакетные предложения, которые фактически снижают стоимость услуг по отдельности, но сохраняют общий доход оператора.

В исследовании отмечаются качественные изменения на рынке ШПД. Рост числа устройств и их разнообразие, облачные сервисы требует все большей пропускной способности каналов доступа. При этом тарифные планы начинают включать все больше услуг и сервисов, давая в сумме снижение их стоимости.

Аналитики также не исключают и начало конкуренции проводного ШПД с мобильной связью четвертого поколения и спутниковой связью в малых городах и удаленных районах. "В таких районах тарифы спутникового двухстороннего Интернета уже приближаются к тарифам проводного ШПД. Например, в Камчатском крае они уже находятся на одном уровне по абонентской плате и скорости доступа", - говорится в сообщении.

Лидером на рынке по итогам 2014 года остается компания "Ростелеком" с долей по абонентам и доходам 35,1% и 38,7% соответственно. Доля остальных игроков постепенно снижается. В общей сложности на пятерку лидеров приходится две трети рынка, как по абонентам (66,2%), так и по доходам от услуг ШПД (69,0%). В тройку лидеров по числу абонентов входят также "Эр-Телеком" (9,7%) и "Вымпелком" (8,5%). По объему доходов от предоставления услуг домашнего ШПД второе место по итогам 2014 года занял "Эр-Телеком" (10,6%), третье место - "Вымпелком" с долей 8,8%.

В среднесрочной перспективе на рынке ШПД ожидается рост доли пакетных предложений в числе новых подключений операторов связи. Рынок ШПД все больше стал пересекаться со смежными (платное телевидение, телефония). Операторы стараются предоставлять абоненту комплексные предложения. Кроме того, очевидна тенденция ставить в приоритет качество обслуживания и повышение лояльности абонентов.

Подключение по технологии FTTx становится все популярнее в свете того, что современные пользователи все больше интересуются новыми типами контента с видео и графикой высокого качества. Основным катализатором внедрения оптоволоконных систем стал рост интереса к видеоуслугам. Перенос центра тяжести с группового вещания на индивидуальное означает рост потребности абонентов в выделенной полосе пропускания.

Для улучшения качества обслуживания сети необходимо постоянно модернизировать сеть на всех уровнях. Так, в москве в тестовом режиме запускается сеть со скоростью до 1GE. Модернизация городс-кой транспортной сети позволяет операторам выходить на абсолютно новый уровень обслуживания абонентов. Данное преимущество в скорости широкополосного доступа позволит улучшить не только доступ в интернет, но и на много повысить качество кабельного телевидения. На данный момент в качестве hd (high definition) не так много каналов, но модернизация сети позволит вещать все каналы в высоком качестве.

Продажи жидкокристаллических телевизоров высокой четкости осуществляются все более быстрыми темпами, что говорит о потребности клиентов в получении услуг вещания телевизионных программ лучшего качества, чем то, что способно предложить аналоговое телевидение. Использование IP-TV видится многим экспертам наиболее логичным развитием событий. То есть только так пользователь сможет выбирать передачи, фильмы, а также время их просмотра. Именно поэтому считается, что при массовом подключении по технологиям FTTx, xPON это уже будет вопрос не ближайшей пятилетки, а всего пары лет. Каждый оператор связи на данный момент понимает, что инвестиции в оптику представляют собой вложения на несколько десятков лет вперед, прибыль по которым будет превосходить затраты в десятки раз. Именно этим можно объяснить активную скупку оптических линий, а также целый ряд пилотных проектов, в их числе и прокладка оптики непосредственно к абонентскому оборудованию.

2 Проблемы распространения света в оптическом волокне

В основе функционирования оптических волоконных сетей лежит принцип распространения световых волн по оптическим световодам на большие расстояния. При этом электрические сигналы, несущие информацию, преобразуются в световые импульсы, которые с минимальными искажениями передаются по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС). Большое распространение подобные системы получили благодаря целому ряду достоинств, которые есть у ВОЛС по сравнению с системами передачи, использующими медные кабели или радиоэфир в качестве среды передачи.

Такая полоса дает возможность передавать потоки информации в несколько терабит в секунду. Важными преимуществами ВОЛС являются такие факторы, как малое затухание сигналов, позволяющее, при использовании современных технологий, строить участки оптических систем в сто и более километров без ретрансляции, высокая помехозащищенность, связанная с малой восприимчивостью оптического волокна к электромагнитным помехам, и многие другие.

Внешнее покрытие волокна (полимерная оболочка) изготавливается из пластмасс или эпоксидных композиций, сочетающих высокую механическую прочность и большой коэффициент преломления света. Этот слой обеспечивает механическую защиту световода и его устойчивость к воздействию внешних источников оптического излучения.

Основная часть оптического волокна состоит из сердцевины и оболочки. Материалом сердцевине служит сверхчистое кварцевое стекло, которое и является основной средой передачи оптических сигналов. Удержание светового импульса происходит вследствие того, что коэффициент преломления материала сердцевины больше чем у оболочки. Таким образом, при оптимально подобранном соотношении коэффициентов преломления материалов происходит полное отражение светового луча внутрь сердцевины.

Для передачи излучение вводится под небольшим углом в торец оптического волокна. Максимальный угол проникновения светового импульса в сердечник волокна называется угловой апертурой оптического волокна (?). Синус угловой апертуры называется числовой апертурой NA и рассчитывается по формуле:

NA= sin(?) = (1)

Для того чтобы передавать сигналы по оптическим волноводам, необходимо иметь источник строго когерентного света. Для увеличения дальности передачи ширина спектра передатчика должна быть как можно меньше. Для этой цели наиболее подходят лазеры, которые, благодаря индуцированному излучению света, позволяют под­держивать постоянную разность фаз при одинаковой длине волн, В связи с тем, что диаметр сердцевины волокна сравним с длиной волны оптического излучения, в световоде возникает явление интерференции. Это может быть доказано тем, что свет распространяется в стекле сердцевины только под определенными углами, а именно в направлениях, в которых введенные световые волны при их наложении усиливаются. Говорят, что возникает конструктивная интерференция. Разрешенные световые волны, которые могут распространяться в оптическом волокне, называются модами. Для описания процессов распространения света в оптических волокнах существуют несколько параметров, которые необходимо учитывать.

Один из главных параметров это затухание. В общем случае затуханием называют ослабление светового потока в оптическом волокне. Затухание света в оптическом волокне, имеет различные причины. Оно может быть вызвано поглощением света и вызванное рассеиванием излучения. Затухание, связанное с изгибами оптического волокна. Различают два типа изгиба волокна: микроизгиб и макроизгиб.

Поглощение может быть определено как превращение мощности светового импульса в тепло, и связано с резонансом в материале волокна. Существуют внутренние поглощения, связанные со свойствами материала волокна и молекулярным резонансом, и внешние поглощения, определяемые наличием микропримесей в материале волокна (например ОН-ионов). Современные оптические волокна имеют очень небольшое количество микропримесей, поэтому величина внешнего поглощения минимальна и может не приниматься в расчет.

Рассеивание излучения это один из основных факторов затухания света в оптическом волокне. Наличие этого типа затухания связано, прежде всего, с дефектами сердцевины оптического волокна, а также с наличием посторонних примесей в оптическом волокне, которые значительно влияют на возможность прохождения светового потока по правильной траектории, приводят к его отклонению и, как следствие, превышению угла преломления и выходу части светового луча через оболочку. Кроме того, наличие неоднородностей волокна приводит к отражению части светового потока в обратную сторону.(рис. 1)

Рисунок 1 ? Эффект рэлеевского рассеяния в оптическом волокне.

Затухания, связанные с изгибами оптического волокна. Микроизгибом называют микроскопические изменения геометрии сердцевины волокна. Макроизгибом называют большой изгиб оптического волокна, который превышает минимально допустимый радиус и заставляет световой поток покинуть сердцевину оптического волокна. Минимальный радиус изгиба одномодовых волокон составляет десять сантиметров. При таком изгибе световой импульс распространяется без сильных искажений. Уменьшение же радиуса изгиба приводит к значительному повышению эффекта рассеивания светового потока через оболочку волокна.

Коэффициент затухания для заданной длины волны оптического излучения определяется как отношение вводимой в волокно оптической мощности к мощности принятого из волокна оптического сигнала. Обычно коэффициент затухания измеряется в децибелах (дБ) и зависит как от параметров оптического волокна, так и от длины волны светового потока.

Одним из факторов, сильно влияющих на качество передачи сигналов в оптических световодах, является дисперсия. Дисперсией света называется зависимость показателя преломления n вещества от частоты н света или зависимость фазовой скорости световых волн и от их частоты. Следствием дисперсии в оптическом волокне является растягивание светового импульса, происходящее во время прохождения его по оптическому волокну. Дисперсия сильно ограничивает скорость работы оптических систем, заметно снижая граничную полосу пропускания. Определены два основных вида дисперсии: межмодовая и хроматическая.

Хроматическая дисперсия связана, прежде всего, с зависимостью скорости распространения светового потока от длины волны источника излучения. В отличие от идеального источника света, любой реальный источник излучает свет в некоторой полосе частот. Составляющие светового импульса, имеющие разные частоты, достигают конца оптического волокна с различными задержками времени, искажая исходный импульс.

Скорость распространения света в оптическом волокне связана с коэффициентом преломления следующей зависимостью:

 = (2)

где - скорость распространения света в оптическом волокне, C - скорость света в вакууме, n- коэффициент преломления сердцевины волокна, который зависит от длины волны. Для прохождения по волокну длиной L световому импульсу требуется время t, определяемое как:

t = = (3)

Из формулы (3) видна зависимость времени прохождения светового импульса по оптическому световоду от показателя преломления оптического волокна. Хроматическая дисперсия является мерой изменения показателя преломления материала сердцевины световода и определяется, как первая производная коэффициента преломления:

M(л) = ( ) * ( ) = ( ) * (4)

где л- длина волны оптического сигнала.

Хроматическая дисперсия выражается в пс/нм·км и физически может быть выражена как разница времени прохождения оптического световода длиной один километр сигналами двух длин волн, причём эти длины волн должны лежать в заданной полосе спектра источника оптического излучения.

Поскольку коэффициент преломления кварцевого стекла минимален при длине волны, равной 1300 нм, производная для этой точки равна нулю и, соответственно, хроматическая дисперсия пренебрежимо мала. Это одна из причин активного использования второго окна прозрачности в телекоммуникационной аппаратуре. Однако, существуют способы смещения дисперсии с помощью легирования кварцевого стекла. Такие световоды называются оптическими волокнами со смещенной дисперсией и могут иметь нулевую дисперсию на длине волны с минимальным затуханием (1550 нм). Это позволяет использовать их в оптических системах, требующих особенно большой полосы пропускания или больших пролетов кабеля с минимальным количеством пунктов переприемов, например для подводных кабельных сетей. На рисунке 2 представлены зависимости хроматической дисперсии от длины волны излучения.

Рисунок 2 ? Зависимость хроматической дисперсии от длины волны излучения.

Модовая дисперсия связана с различным временем прохождения участка волокна световых мод, двигающихся по разным траекториям. В пределах числовой апертуры в многомодовое волокно может быть введено несколько сотен разрешенных мод. Все они будут распространяться по различным траекториям, имея различное время прохождения от источника до приемника. Суммарный импульс, полученный приемником сигнала, оказывается сильно растянутым во временной области. Наличие модовой дисперсии является недостатком многомодовых систем передачи. Эффект межмодовой дисперсии частично нивелируется смешением мод. При прохождении по оптическому волокну моды низших порядков, имеющие малые углы траектории по отношению к оси оптического световода преобразуются в моды более высокого порядка и наоборот. Таким образом, скорость прохождения участка волокна модами несколько усредняется. Но необходимо учитывать, что процесс такого усреднения происходит, прежде всего, за счет неоднородностей волокна, а они, в свою очередь, заметно увеличивают общее затухание сигнала. В одномодовых оптических волокнах межмодовая дисперсия полностью отсутствует.

Поляризационная модовая и хроматическая дисперсии существенно ограничивают возможности передачи оптических сигналов по волокну и после затухания являются наибольшим препятствием для повышения дальности работы цифровых систем. Хроматическая дисперсия может быть компенсирована, как с помощью уменьшения полосы излучаемого спектра лазерного источника, так и смещением хроматической дисперсии кабеля в область более высоких длин волн. Компенсация ПМД невозможна и может быть понижена только с увеличением качества оптических волокон и кабелей. Величина 0,5 пс/км является фактически принятым международным стандартом максимально допустимого ПМД. В рекомендациях, касающихся линий дальней передачи, прослеживается тенденция устанавливать требование, ограничивающее величину ПМД не более 0,1 пс/км.

Наиболее важными параметрами в линии являются затухание и дисперсия, так как они влияют на протяженность регенерационного участка.

2.1 Разъемные соединения

Кажется, что в идеальной оптической системе передачи информации световой поток должен беспрепятственно проходить трассу от источника до фотоприемника. Оптическое волокно - это ничто иное, как та самая трасса распространения сигнала. Протянуть цельное волокно от источника до приемника не представляется возможным. Технологическая длина волокна обычно не превышает нескольких километров. И если эту проблему еще можно решить сваркой световодов, то обеспечение мобильности локальной оптической подсети достигается только с применением кроссового оборудования. Проблем передачи световой волны от одного отрезка волокна к другому не избежать. Для многократного и простого подключения оптических линков световоды могут оконцовываться оптическими коннекторами. Учитывая, что современные световоды - это микронные технологии, оконцовка волокна оптическими коннекторами представляет собой непростую задачу.

Важным параметром, влияющим на затухание ВОЛС является френелевское отражение. Френелевским отражением называется отражение части светового потока, падающего на плоскую границу раздела двух сред с различными показателями преломления. В волоконно оптической линии возникает в основном на разъемных соединениях и вносит большое затухание в волоконно оптическую линию передачи.

Опишем проблемы, возникающие при переходе сигнала из одного световода в другой. Потеря мощности или затухание оптической волны возникает при неточной центровке световодов. В этом случае часть лучей просто не переходит в следующий световод, или входит под углом более критического. При неполном физическом контакте волокн образуется воздушный зазор. В связи с чем возникает эффект возвратных потерь. Часть лучей при прохождении прозрачных сред с разной плотностью отражается в обратном направлении. Доcтигая резонатора, они усиливаются и вызывают искажения сигналов.

Таким образом необходимо точно и плотно совместить оба световода. Чтобы обеспечить сохранность хрупкого волокна при многократном совмещении, их оконечные отрезки помещают в керамические, пластмассовые или стальные наконечники. Большинство наконечников имеют цилиндрическую форму с диаметром 2,5 мм. Встречаются конические конструкции, а коннекторы LC имеют наконечник диаметром 1,25 мм.

Внутри наконечников существует канал, в который вводится и фиксируется химическим или механическим способом очищенный от оболочки световод. При удалении защитного покрытия могут использоваться как специальные механические инструменты, так и химически активные растворы. Внутри наконечника световод может фиксироваться как по всей длине канала (чаще это методы на основе клея), так и в точке ввода волокна в наконечник (механические методы) (рисунок 3). Процесс механической фиксации занимает гораздо меньше времени (до нескольких минут) и основан на "придавливании" волокна с помощью полимерных материалов. Но он является менее надежным и недолговечным. Химический способ говорит сам за себя. Чаще всего фиксирующим составом в данной технологии выступают эпоксидные растворы, как наиболее надежные. Однако период полного загустевания такого состава весьма продолжителен - до суток. Поэтому при необходимости более быстрого монтажа коннекторов могут применяться другие компоненты или специальные печи для сушки.

Рисунок 3 ? Фиксирование световода в наконечнике

После установки световода в коннектор необходимо отшлифовать торец наконечника. Выступающий излишек волокна удаляется специальными инструментами. Основной принцип заключается в надрезе и обламывании световода, после чего можно приступать к непосредственной полировке поверхности.

Особый интерес вызывает форма торцов наконечников. Их обработка представляет собой целое искусство. Простейший вариант торца - плоская форма. Ей присущи большие возвратные потери, поскольку вероятность возникновения воздушного зазора в окрестности световодов велика. Достаточно неровностей даже в нерабочей части поверхности торца. Поэтому чаще применяются выпуклые торцы (радиус скругления составляет порядка 10-15 мм). При хорошем центрировании плотное соприкосновение световодов гарантируется, а значит более вероятно отсутствие воздушного зазора. Еще более продвинутым рещением является применение скругления торца под углом в несколько градусов. Скругленные торцы меньше зависят от деформаций, образуемых при соединении коннекторов, поэтому подобные наконечники выдерживают большее количество подключений (от 100 до 1000) (Рисунок 4).

Рисунок 4 ? Типы полировки наконечников

Также важен материал наконечника. Подавляющее число коннекторов строятся на основе керамических наконечников, как более стойких.

После оконцовки световодов коннекторами необходимо произвести анализ качества поверхности наконечника. Чаще всего для этого при-меняются микроскопы. Професcиональные приборы обладают кратностью увеличения в сотни раз и снабжены специальной подсветкой с различных ракурсов. Они могут также иметь интерфейс подключния к дополнительному измерительному оборудованию.

Разъемные соединители представляют собой семейство оптических адаптеров и коннекторов, различающихся конструкцией и предназначенных для разных оптических волокон. Основными конструктивными требованиями, предъявляемыми к ним, являются точность юстировки сердечника световода, качество шлифовки контактной поверхности, количество возможных переключений, защищенность от загрязнения, удобство пользования и обслуживания. Основными техническими требованиями являются малое затухание оптического сигнала при прохождении контакта и большое затухание для отраженного сигнала, которые зависят от конструкции коннектора, качества используемых материалов при его изготовлении и качества сборки, обеспечивая высокую стабильность и повторяемость параметров соединения. Качественный соединитель должен иметь вносимые потери при прохождении сигнала не более 0,3 дБ. На сегодняшний день в России широко применяются типоразмеры оптических коннекторов FC, SC, ST, LC и некоторые другие.

Способ подготовки торцевых поверхностей под названием "физический контакт" (Physically Contact - PC) предполагает фиксацию оптического волокна в алюминиевом наконечнике. Торец определенным образом полируется с целью достижения полного контакта торцевых поверхностей. Однако при полировке волокна происходят негативные изменения поверхностного торцевого слоя в инфракрасном диапазоне обусловленные механическими изменениями при полировке. Данный фактор ограничивает применение коннекторов этого типа на высокоскоростных сетях.

Рисунок 5 ? Прохождение оптического сигнала в коннекторе

Для улучшения контакта оптического волокна радиус сердечника был сужен до 20 мм, а в качестве материала наконечника использовался более мягкий цирконий. Благодаря этому подходу снизились такие дефекты полировки, как скосы (рисунок 5). Данные коннекторы серии SРС (Super Physically Contact). Возможность изгиба циркония на субмикронном уровне позволила волокну контактировать даже при скосах в сотни микрон без значительного ухудшения параметров. Однако проблему инфракрасного слоя такая полировка оставляет нерешенной.

Методика полировки торцов UPC (Ultra Physically Contact) характеризуется малыми напряжениями. Полировка осуществляется под контролем сложных и дорогостоящих систем управления. В результате устраняется проблема поверхностного инфракрасного слоя. Параметр отражения значительно улучшен, и такие коннекторы могут применяться в высокоскоростных системах с пропускной способностью более 2,5 Гбит/с.

Наиболее действенным способом снижения уровня энергии отраженного сигнала является метод полировки торцов оптических волокон под углом 8-12° от перпендикуляра к оси волокна (Angled Physically Contact - АРС). В таком стыке отраженный световой сигнал распространяется под углом большим, чем угол, под которым сигнал вводится в оптическое волокно (рисунок 6).

Рисунок 6 ? Коннектор APC

АРС-коннекторы отличаются цветовой маркировкой хвостовиков (как правило, зеленого цвета), поскольку они не могут использоваться совместно с коннекторами другой полировки.

Принципиально соединение двух оптических коннекторов кроссового оборудования строится по следующей схеме:

Платформой для установки коннекторов служит розетка. Входящие в нее коннекторы фиксируются таким образом, чтобы оси их наконечников были отцентрированы, паралельны и плотно прижаты. Подобные розетки обычно устанавливают в патч-панели или вставки монтажных коробов.

Рисунок 7 ? ST ? коннектор

Коннекторы различаются не только применяемыми наконечниками, но и типом фиксации конструкции в розетке. Самым распространенным представителем в локальных оптических сетях является ST-тип коннектора (от англ. Straight Tip). Керамический наконечник имеет цилиндрическую форму диаметром 2.5 мм со скругленным торцом. Фиксация производится за счет поворота оправы вокруг оси коннектора (рисунок 7), при этом вращения основы коннектора отсутствуют (теоретически) за счет паза в разъеме розетки. Направляющие оправы сцепляясь с упорами ST-розетки при вращении вдавливают конструкцию в гнездо. Пружинный элемент обеспечивает необходимое прижатие.

В одномодовых системах встречается еще одна разновидность коннекторов - FC (рисунок 8). Они характеризуются отличными геометрическими характеристиками и высокой защитой наконечника.



Рисунок 8 ? Коннектор типа FC

Слабые стороны ST-коннекторов в настоящее время решают за счет применения SC-технологии (от англ. Subscriber Connector). Сечение корпуса имеет прямоугольную форму (рисунок 9). Подключение/отключение кон-нектора осуществляется поступательным движением по направляющим и фиксируется защелками. Керамический наконечник также имеет цилиндрическую форму диаметром 2.5 мм со скругленным торцом (некоторые модели имеют скос поверхности). Наконечник почти полностью покрывается корпусом и потому менее подвержен загрязнению нежели в ST-конструкции. Отсутствие вращательных движений обуславливает более осторожное прижатие наконечников.

Рисунок 9 ? Коннектор типа SC

Коннекторы типа LC (рисунок 10) ? это малогаббаритный вариант SC-коннекторов . Он также имеет прямоугольное сечение корпуса. Конструкция исполняется на пластмассовой основе и снабжена защелкой, подобной защелке, применяющейся в модульных коннекторах медных кабельных систем. Вследствие этого и подключение коннектора производится схожим образом. Наконечник изготавливается из керамики и имеет диаметр 1.25 мм.



Рисунок 10 ? Коннектор типа LC

Для подключения дуплексного кабеля могут использоваться не только спаренные SC-коннекторы. Часто в этих целях применяют FDDI-коннекторы. Конструкция исполняется из пластмассы и содержит два керамических наконечника. Для исключения неправильного подключения линка коннектор имеет несимметричный профиль.

Технология FDDI (Рисунок 11) предусматривает четыре типа исполь-зуемых портов: A, B, S и M. Проблема идентификации соответствующих линков решается за счет снабжения коннекторов специальными вставками, которые могут различаться по цветовой гамме или содержать буквенные индексы.

В основном данный тип используется для подключения к оптическим сетям оконечного оборудования.

Рисунок 11 ? Коннектор типа FDDI

3 Технологии широкополосного доступа

Мир информационных технологий постоянно совершенствуется, появляются все новые способы получения информации, так как потребительский спрос возрастает, объем требуемой информации увеличивается и, следовательно, техническое обеспечение должно соответствовать определенному уровню. В данное время в мире все больше людей используют высокоскоростной, иначе широкополосный доступ в Интернет. Можно утверждать, что примерно каждый десятый интернет-пользователь в мире имеет широкополосный доступ к Интернету.

Широкополосный, или высокоскоростной доступ в Интернет обеспечивается с помощью ряда технологий, которые позволяют пользователям отправлять и принимать информацию в гораздо больших объемах и с более высокими скоростями. Широкополосный доступ обес-печивает не только высокую скорость передачи данных, но и непрерывное подключение к Интернету (без необходимости установления коммутируемого соединения) и так называемую двустороннюю связь, то есть возможность как принимать, так и передавать информацию на высоких скоростях.

Широкополосный доступ не только обеспечивает богатство информационного наполнения (контента) и услуг, но и способен преобразить весь Интернет как в плане предлагаемого Сетью сервиса, так и в плане ее использования.

3.1 Технология ADSL

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) -- асимметричная цифровая абонентская линия) -- это высокоскоростная широкополосная технология, позволяющая передавать и получать по стандартным медным телефонным проводам данные из Сети Интернет с намного большей скоростью, чем при использованием аналоговых модемов и коммутируемых линий (рис. 5). Технология ADSL позволяет передавать данные со скоростью 2 Мбит/с на расстояние до 5,5 км, по одной витой паре проводов. Скорость передачи порядка 6-8 Мбит/с может быть достигнута при передаче данных на расстояние не более 3,5 км. Для доступа по технологии ADSL необходим ADSL-модем или маршрутизаторы и сплиттер. Системы ADSL учитывают асимметрию потоков данных. Обычно ADSL обеспечивают скорость пере-дачи данных от пользователя в диапазоне 128-1024 Кбит/с, а к пользователю в диапазоне от 600 Кбит/с до 8 Мбит/с.

Рисунок 12 ? Схема работы ADSL

Для сжатия большого объема информации, передаваемой по витой паре телефонных проводов, в технологии ADSL используется цифровая обработка сигнала и специально созданные алгоритмы, усовершенствованные аналоговые фильтры и аналого-цифровые преобразователи. Телефонные линии большой протяженности могут ослабить передаваемый высокочастотный сигнал (например, на частоте 1 МГц, что является обычной скоростью передачи для ADSL) на величину до 90 дБ. Это заставляет аналоговые системы модема ADSL работать с достаточно большой нагрузкой, позволяющей иметь большой динамический диапазон и низкий уровень шумов.

Технология ADSL использует метод разделения полосы пропускания медной телефонной линии на несколько частотных полос. Это позволяет одновременно передавать несколько сигналов по одной линии. Точно такой же принцип лежит в основе кабельного телевидения, когда каждый пользо-ватель имеет специальный преобразователь, декодирующий сигнал и позво-ляющий видеть на экране телевизора футбольный матч или увлекательный фильм. При использовании ADSL разные несущие одновременно переносят различные части передаваемых данных. Этот процесс известен как частотное уплотнение линии связи (Frequency Division Multiplexing -- FDM). При FDM один диапазон выделяется для передачи «восходящего» потока данных, а другой диапазон для «нисходящего» потока данных. Диапазон «нисходящего» потока в свою очередь делится на один или несколько высокоскоростных каналов и один или несколько низкоскоростных каналов передачи данных. Диапазон «восходящего» потока также делится на один или несколько низкоскоростных каналов передачи данных. Кроме этого может применяться технология эхокомпенсации (Echo Cancellation), при использовании которой диапазоны «восходящего» и «нисходящего» потоков перекрываются и разделяются средствами местной эхокомпенсации.

Именно таким образом ADSL может обеспечить одновременную вы-сокоскоростную передачу данных, передачу видеосигнала и передачу факса. И все это без прерывания обычной телефонной связи, для которой используется та же телефонная линия. Технология предусматривает резерви-рование определенной полосы частот для обычной телефонной связи (или POTS -- Plain Old Telephone Service). При этом телефонный разговор можно вести одновременно с высокоскоростной передачей данных, а не выбирать одно из двух. Более того, даже если у вас отключат электричество, обычная телефонная связь будет работать по-прежнему Обеспечение такой возмож-ности было одним из разделов оригинального плана разработки ADSL.

Технология ADSL подключения позволяет полностью использовать ресурсы линии. При обычной телефонной связи используется около одной сотой пропускной способности телефонной линии. Технология ADSL устраняет этот «недостаток» и использует оставшиеся 99% для высокоскоростной передачи данных. При этом для различных функций используются различные полосы частот. Для телефонной (голосовой) связи используется область самых низких частот всей полосы пропускания линии (приблизительно до 4 кГц), а вся остальная полоса используется для высокоскоростной передачи данных.

После принятия первого из стандартов семейства ADSL, ITU постоянно работал над их усовершенствованием. Следующим был утвержден стандарт G.992.2 (G.Lite) для бессплиттерной ADSL, согласно которому для разделения частот на стороне пользователя используются микрофильтры. Телефонная пара от АТС подключается непосредственно к ADSL-модему, а телефон -- к телефонной паре через микрофильтр, отсекающий высокочастотную полосу данных и тем самым исключающий паразитные шумы в телефонах пользователей. Это упрощение и удешевление технологии было сделано за счет существенного снижения максимальной скорости передачи данных до 1,5 Мбит/с в нисходящем потоке и до 512 Кбит/с -- в восходящем.

Целью разработки стандартов ADSL2 (G.992.3, G.992.4) и ADSL2+ (G.992.5) было достижение большей пропускной способности линий при передаче данных на значительные расстояния при наличии узкополосных помех. Среди их главных преимуществ -- увеличение скорости передачи данных в сторону абонента до 12 Мбит/с -- ADSL2, и 24 Мбит/с -- ADSL2+, с возможностью ее адаптации к качеству канала связи, диагностика состояния канала и возможность передачи данных на большие расстояния. Это осуществляется, в частности, за счет улучшенных схемы модуляции и алгоритма обработки сигнала, уменьшения служебных данных в пакете, более эффективного кодирования.

В ADSL2/ADSL2+ реализуется четырехмерное 16-уровневое решетчатое кодирование (trellis coding) и однобитная квадратурная амплитудная модуляция. Это и обеспечивает более высокие скорости передачи данных на линиях длиной до 3 км с низким значением величины отношения сигнал/шум. В отличие от ADSL, предусматривающего фиксированный объем служебной информации в пакете, который занимает полосу 32 Кбит/с, в ADSL2 длина служебного поля может задаваться программно, что позволяет регулировать размер непроизводительных расходов в интервале от 4 до 32 Кбит/с, освобождая таким образом пользователю для передачи полезных данных дополнительно до 28 Кбит/с. В результате на линиях с высоким качеством пропускная способность достигает значения 12 Мбит/с в нисходящем и 1 Мбит/с в восходящем потоках. На линиях длиннее 3,5 км ADSL2 позволяет передавать при той же скорости на 200 м дальше, чем ADSL, а на равных расстояниях -- на 50 Кбит/с быстрее.

Главными недостатками технологии xDSL является возможная длина регенерационного участка и пропускная способность линии. Скорость по данной технологии не полностью удовлетворяет потребности пользователей. На устойчивость связи и производительность ADSL-каналов значительно влияют перекрестные наводки. Они вызваны тем, что телефонные пары, как правило, собираются в жгуты, содержащие по 25 и более пар, и близлежащие xDSL-линии создают друг другу электромагнитные помехи. Кроме того, на качество связи влияют АМ-радиоволны, температурные скачки, вода.

3.2 Технологии FTTX

Многие компании стали постепенно переходить к использованию технологии FTTx в качестве основной для предоставления услуг в области доступа к сети Интернет. Теперь это уже не так сложно и дорого, как было несколько лет назад. Именно поэтому на рынке активно продвигается соответствующий продукт.

Использование технологии FTTx предполагает привлечение волоконно-оптических решений для построения широкополосных сетей. Стоит описать, что подразумевается под этим новым понятием. FTTx - это термин, при помощи которого описывается общий подход к формированию кабельной сетевой инфраструктуры, в которой от узла связи до конкретного места, обозначаемого как «x», доходит оптика, а далее, непосредственно до абонентов, прокладывается медный кабель. Вполне реально проложить оптику и непосредственно к абонентскому устройству. По большому счету использование технологии FTTx предполагает только физический уровень. Но под данным понятием скрывается и большое число технологий сетевого и канального уровня. Широкополосный доступ позволяет предоставлять огромное количество новых услуг.

На данный момент в качестве основного двигателя рынка FTTx называется массовый спрос на широкополосный доступ, а его очень сложно обеспечить, если использовать только ADSL. Оптические решения стали все активнее внедрять в крупных городах, и тут четко прослеживается тенденция к слиянию мелких операторов с более крупными, которые работают в федеральном масштабе. Технологии FTTx весьма активно используются в поселках, в которых инфраструктура изначально строилась на базе оптического тракта.

Развитие рынка FTTx на российский территории зависит не только от спроса на качественный контент, но и от числа крупных строительных проектов, а также обострения конкуренции среди поставщиков услуг широкополосного доступа. Благодаря динамическому строительству многоквартирных домов прокладка FTTx сетей становится очень быстрой и оправданной в экономическом плане, а конкуренция делает так, что стоимость доступа к Интернету становится все ниже. Несколько лет назад внимание операторов было направлено на корпоративного потребителя, а теперь все чаще рассматриваются обычные абоненты.

Технология FTTx (Ростелеком) включает несколько видов архитектур: - FTTN (Fiber to the Node) - оптоволокно доходит до сетевого узла;

- FTTC (Fiber to the Curb) - оптоволокно доходит до микрорайона, квартала или нескольких домов;

- FTTB (Fiber to the Building) - оптоволокно достигает здания;

- FTTH (Fiber to the Home) - оптоволокно дотягивают до жилища.

Основное их различие состоит в том, насколько близко оптический кабель подходит к пользовательскому терминалу. Первыми появившимися решениями были FTTN и FTTC. Первое решение на сегодняшний день используется исключительно как быстро внедряемое и бюджетное там, где имеется медная распределительная инфраструктура, а прокладка оптики является просто нерентабельной. Трудности, связанные с таким решением, известны всем: низкое качество предоставляемых услуг, связанное со специфическими проблемами медных кабелей, находящихся в канализации, значительное ограничение по скорости и числу подключений в одном кабеле. FTTC представляет собой улучшенный тип FTTN, которому не присущи недостатки, свойственные последнему. В случае использования FTTC медные кабели прокладываются только внутри зданий, а это означает, что они не подвержены разрушительным факторам, а также не имеют большой протяженности линии, значение имеет также качество медных жил, используемых при этом. Именно поэтому удается добиться большей скорости на участке без оптоволокна. Такое предложение действительно при подключении по технологии FTTx PON. Подобная архитектура ориентирована на операторов, которые уже активно используют технологию xDSL, а также операторов кабельного телевидения. Благодаря реализации подобной архитектуры они смогут не только снизить затраты, но и увеличить количество подключенных пользователей, а также полосу пропускания, выделяемую каждому из них. Этот тип подключения в России чаще всего применяют операторы малых Ethernet-сетей, что связано с невысокой стоимостью медных решений, а также необходимостью в высокой квалификации исполнителя для монтажа оптического кабеля.

Внутригородская оптическая транспортная сеть строится по топологии кольцо и организуется на оптических маршрутизаторах. К ней подключено местное ядро сети, обеспечивающее необходимые услуги местной связи для абонентов и так же подключаются сети абонентского доступа по оптической линии, либо по Ethernet кабелю, так как коммутатор агрегации может находиться на самой АТС. От коммутатора агрегации идут кабели на опти-ческий кросс, который подключается к кабелю, идущему к домам. В домах стоят коммутаторы доступа, у которых есть оптические порты чаще всего со скоростью передачи данных 1GE (рисунок 13). Данный выбор скорости передачи данных обусловлен тем, что на больших скоростях дисперсия сильно влияет на длину регенерационного участка.

Рисунок 13 ? Схема сети FTTX

Технология FTTX раскрывает большие возможности для широкополосного доступа. Города развиваются очень быстро и между опе-раторами связи идет соперничество за каждого абонента. И выигрывает тот, кто предоставляет более качественные услуги по разумной цене. Но тут появляется дополнительная проблема. В больших городах для обеспечения пользователей качественным широкополосным доступом необходимо модернизировать городскую оптическую транспортную сеть, иначе не будет толка от пропускной способности абонентских линий.

В поселках более подходящей технологией является FTTX. Слабое затухание в оптических кабелях позволяет предоставлять услуги связи абонентам, находящимся на большом расстоянии от АТС (до десятков километров). Использование в данном случае медножильных кабелей не даст высокой скорости и надежности, к тому же для проведения линии по технологии DSL необходимо строительство кабельной канализации, что ведет к дополнительным затратам и потере времени. Плюс технологии FTTX в том, что оптический кабель можно подвести к дому по электрическим кабелям и это никак не повлияет на пропускную способность абонентской линии.

Для экономии оптических волокон и надежности используется агрегация каналов (англ. Link aggregation, trunking) или IEEE 802.3ad -- технология объединения нескольких физических каналов в один логический. Это способствует не только значительному увеличению пропускной способности магистральных каналов коммутатор--коммутатор или коммутатор--сервер, но и повышению их надежности. Хотя уже существует стандарт IEEE 802.3ad, многие компании еще используют для своих продуктов патентованные или закрытые технологии.

Главными задачами уровня агрегации являются мониторинг и управление трафиком с разделением потоков по типам услуг и запросам пользователей. Должны поддерживаться многоуровневое обеспечение QoS и маршрутизация MPLS. Топология сети уровня агрегации обычно предусматривает некоторую избыточность, которая позволяет резервировать каналы за счет реконфигурации сети. Для этого используется оборудование с повышенной отказоустойчивостью, поддерживающее протоколы защитной коммутации. В небольших и средних операторских сетях магистральный уровень и уровень агрегации часто представлены вместе.

Другие назначения уровня агрегации?-- подключение к операторской сети различных сервисных служб (файловых или игровых серверов, головных станций IPTV) и организация шлюзов к телефонным сетям. Правильно спроектированный уровень агрегации позволяет создавать распределенные сервисы, что обеспечивает уменьшение объема внутрисетевого трафика и большую надежность услуг.

Самым емким по количеству устройств уровнем городской сети Ethernet является уровень доступа. Он служит для подключения абонентов, и от него во многом зависит эффективность работы всей сети оператора связи. При большом числе абонентов (например, в случае предоставления услуг ШПД физическим лицам) на этом уровне часто используется промежуточная агрегация. Инфраструктура уровня доступа обычно соответствует топологии «звезда», но нередко применяются кольцевые и ячеистые топологии. Выбор зависит от плотности и территориальной распределенности абонентов.

На оборудование доступа ложится основная нагрузка по реализации мер защиты при подключении абонентов. В их число обычно входят применение списков контроля над доступом (ACL) с привязкой к портам коммутаторов, статическое и динамическое закрепление MAC-адреса за портом, блокировка неразрешенных MAC-адресов, авторизация по протоколу 802.1х или привязка IP-адреса к конкретному MAC-адресу. На этом уровне должна обеспечиваться поддержка механизмов качества обслуживания, заключающаяся в сегментации трафика по очередям приоритетов.

В последние годы операторы требуют от производителей, чтобы оборудование доступа имело функции мультикастинга. Для этого в нем реализуются протоколы IGMP, DVMRP, MOSPF, PIM DM/SM и др. Выбор того или иного протокола зависит от политики маршрутизации в сети оператора связи и от топологии такой сети.

Хорошим инструментом реализации гибкой тарифной политики является управление полосой пропускания абонентского порта, в определенной мере позволяющее прогнозировать загрузку каналов на уровне магистрали и агрегации трафика. Если планируется предоставлять услуги корпоративным клиентам, оборудование доступа должно поддерживать технологии 2-го уровня QinQ, VPLS (Virtual Private LAN Service), E-Line и E-LAN в соответствии со спецификациями Metro Ethernet Forum.

В сети доступа желательно применять оборудование с хорошими возможностями удаленного управления и диагностики. Это позволяет снизить нагрузку на службы технической и сервисной поддержки распределенной операторской сети. Немаловажна и возможность наращивания абонентской емкости узлов доступа, например за счет стекового включения коммутаторов. Сейчас подавляющее число абонентов сетей подключаются по медным линиям, для чего используется интерфейс «10/100 Base-T».

Использование в параллель несколько Ethernet-адаптеров выглядит так. Допустим есть два адаптера Ethernet: eth0 и eth1. Их можно объединить в псевдо-Ethernet-адаптер eth3. Система распознает эти агрегированные адаптеры как один. Все агрегированные адаптеры настраиваются на один MAC-адрес, поэтому удалённые серверы обращаются с ними как с один адаптером. eth3 можно настроить на один IP адрес, как любой Ethernet адаптер. Из-за этого программы обращаются к нему как к самому обычному адаптеру, скорость которого в два раза выше.