ОПТИКО-ВОЛОКОННЫЕ СЕТИ СВЯЗИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Оптико-волоконные сети связи

Герасимов Андрей Сергеевич

МГУПП, генеральный директор ООО "Диджитал Групп", 9984038@gmail.com

В области широкополосных сетевых сред, волоконная оптика является наиболее распространенным решением. Оптические сети представляют собой усовершенствованную форму сетей связи, использующих оптические волокна в качестве основной среды передачи данных. Лазеры и светодиоды используются для передачи сигналов в различных точках, предоставляя высокоскоростные данные и голосовые услуги. Мало кто знает об оптических полимерных волокнах, которые являются конкурентным решением в сравнении с оптоволокном. И пластиковые оптические кабели, и оптоволоконные кабели имеют свои плюсы и минусы. В этой статье рассматриваются ключевые моменты, связанные с этими двумя компонентами, такие как стоимость, гибкость и производительность, а также их применение в различных отраслях, таких как медицина, авиация, телекоммуникации и многое другое. Выбор между оптоволокном и полимерными оптическими волокнами зависит от множества факторов, таких как масштаб проекта, требования к пропускной способности и бюджет. Какой бы выбор ни был сделан, важно понимать, что оба вида оптических волокон являются надежными и эффективными решениями для передачи данных в современном мире.

Ключевые слова: оптические сети, оптические волокна, оптико-волоконные сети, использование оптоволокна, средства связи.

История и развитие оптических волокон

Концепция оптических сетей впервые появилась в 1970-х годах и с тех пор превратилась в важный компонент современных сетей связи. Развитие светоизлучающих диодов (СИД) и лазерных технологий в конце 1970-х годов позволило разработать оптические волокна, которые использовались в качестве основного средства передачи данных [1]. Это позволило разработать более быстрые, эффективные и надежные сети связи

Еще несколько десятилетий назад никто и мечтать не мог, что небольшой пучок стеклянных волокон будет передавать жизненно важную информацию — через широко распространенный основной материал. Позже у кого-то возникла идея, и он использовал свет как чрезвычайно подходящее средство передачи данных. За этим последовало резкое развитие, и волоконная оптика стала предпочтительной средой для цифровой передачи данных.

Принципы работы оптических сетей связи

По сути, оптические волокна представляют собой не что иное, как небольшие пучки стеклянных волокон. Все остальное в оптических волокнах и на них, например оболочка, защитное покрытие или внешняя оболочка, является лишь средством укрепления волокна. Стекло имеет естественное свойство преломлять свет, и вот как это работает: в оптических волокнах мы достигаем полного внутреннего отражения, чтобы удерживать свет внутри волокна, чтобы он двигался по проводнику.

В оптических волокнах сердцевина имеет оболочку. Назначение этого плаща — отвергать все исходящие лучи света. Таким образом, свет остается запертым в нити волокна. Важно, чтобы для облицовки использовалось кварцевое стекло с низким показателем преломления. В системах связи на основе оптоволокна используется специально разработанное оборудование.

Существуют различные стандарты и протоколы связи для сетей, которые обмениваются данными по оптоволоконным кабелям. Кабели разных марок и типов доступны для различных типов приложений на коротких, средних и дальних расстояниях [2].

Специально разработанные светодиоды или световые барьеры используются в оптоволоконных кабелях для обеспечения света, необходимого для прохождения через оптоволокно, которые обмениваются данными по оптоволоконным кабелям, существуют различные стандарты и протоколы связи. Кабели разных марок и типов доступны для различных типов приложений на коротких, средних и дальних расстояниях. Эти источники света связаны с коммуникационными контроллерами, которые включают и выключают источник света по шаблону для преобразования предоставленных цифровых данных в световые сигналы. При «0» источник выключается, а при «1» включается. Вот как это работает. Ниже приведены некоторые из основных преимуществ использования оптоволокна в качестве средства связи.

X X

о

го А с.

X

го т

о

Преимущества оптических сетей

Оптические сети имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными медными сетями. Во-первых, они намного

м о

м «

fO

es о es

о ш m

X

3

<

m О X X

быстрее, уже повсеместно оптоволокно используется на скоростях от 10 Гбит/сек до 40 Гбит/сек, а в лабораторных условиях Национального института информационных и коммуникационных технологий Японии (МСТ) была достигнута скорость 10.66 Пета-Бит/сек (рис. 1) [6].

Cladding Diameter (mm)

This Result

[Reference] Currently used

□

Рисунок 1 - Результаты тестирования по сравнению с предыдущими исследованиями NICT

Во-вторых, они предлагают гораздо более высокий уровень надежности, поскольку они менее подвержены сбоям или отключениям [3]. В-третьих, расстояние передачи данных 1000BASE-LH на скорости 1 Гбит/с по одномодовому оптическому волокну может достигать до 100 км. У медного кабеля связи "Витая пара" комфортная работа гарантируется на расстоянии до 100 м. Кроме того, оптические сети гораздо более безопасны, поскольку трафик в этих сетях намного сложнее перехватить.

Типы оптических сетей и их использование

Оптические сети бывают разных типов (Рис. 2) в зависимости от передаваемых данных и назначения сети. Наиболее распространенными типами оптических сетей являются сети точка-точка, используемые для соединений на короткие расстояния, городские сети (MAN), используемые для соединений на средние расстояния, и глобальные сети (WAN), используемые для соединений на большие расстояния.

управления и маршрутизации сигналов, чтобы гарантировать, что они достигают места назначения.

Оптические сети используются в различных приложениях, включая телекоммуникации, центры обработки данных и корпоративные сети. Они также используются в высокоскоростном доступе в Интернет, кабельном телевидении, военной и правительственной связи [5].

Различия полимерных и стеклянных волокон

Как показывает практика, нет большой разницы между стеклянными волокнами и пластиковыми (РОГ - полимерные оптические волокна), если смотреть на их конструкцию и основной принцип. В ПО волокнах обычная сердцевина из плавленого кварца заменена пластиковой - и все. Внутри кабеля у нас есть крошечные нити пластика, окруженные армирующим пластиком другого типа. Принцип использования света остается прежним [3]. Чтобы представить это в перспективе, это в основном одна и та же машина, просто разные дороги. В отличие от стекла, которое встречается в природе, пластиковые нити изготавливаются синтетическим путем. Мы не можем изменить свойства стекла, но, если подумать, мы можем сделать правильный сорт пластика, чтобы получить наилучший возможный результат. РОГ обычно продаются конечным пользователям как оптоволоконные кабели, потому что они значительно дешевле. Этот тип волокна используется в домашних сетях, цифровых бытовых приборах и других более медленных приложениях для коротких расстояний.

Характеристики искажения и затухания таких проводников делают их менее подходящими для приложений на большие расстояния и высоких скоростей передачи данных. Собственно, и стекловолокно, и РОГ основаны на одном и том же явлении. В РОГ для передачи данных используются полимерные оптические волокна с оболочкой из специально разработанных фторированных полимеров.

Когда дело доходит до экономической эффективности и гибкости, РОГ остаются непревзойденными. Оптические волокна с пластиковой сердцевиной и оболочкой намного дешевле, чем их аналоги из плавленого кварца.

Наружная оболочка

Вторичное защитное покрытие

Первйчное^Щ

защитное покрытие

W

Рисунок 2 - Типы сетей

Оптические сети состоят из нескольких компонентов, включая оптические волокна, передатчики, приемники, коммутаторы, маршрутизаторы, усилители и повторители. Оптические волокна являются основной средой для передачи данных и используются для передачи световых сигналов из одной точки в другую. Передатчики и приемники используются для преобразования сигналов из электрической формы в оптическую и наоборот. Коммутаторы, маршрутизаторы, усилители и повторители используются для

Рисунок 3 - Полимерные оптические волокна [2]

На сегодняшний день существует целый ряд аксессуаров, коннекторов и других компонентов для ПО волокон. Доступность и адаптируемость не проблема. Что касается безопасности, полимерные волокна намного лучше, поскольку они используют безвредный зеленый или красный свет, видимый невооруженным глазом [2]. Еще одним важным преимуществом волокон РО является их устойчивость к перегибам, вибрации и ударам. Обращение с полимерными оптоволоконными кабелями и их установка не требуют специальной подготовки, специальных инструментов или методов.

Оптические волокна из оптоволокна и из полимерных материалов — два прекрасных варианта для сетей. С одной стороны, у нас есть полимерные оптические волокна, которые очень дешевы и просты в использовании.

Однако этот вариант не подходит для приложений на большие расстояния, но он подходит для соединений на короткие

расстояния. С другой стороны, у нас есть стеклопластик, проверенный временем. Оптическое волокно является универсальным решением как для коротких, так и для больших расстояний.

Причины предпочтения оптических волокон

Оптическим волокнам со стеклянной сердцевиной всегда следует отдавать предпочтение, когда необходимо преодолеть большие расстояния с высокой скоростью передачи данных, поскольку полимерные оптические волокна поддерживают скорость передачи данных только до 10 Гбит/с.

Оптические сети очень безопасны, потому что их очень трудно подключить или подслушать. Они также очень устойчивы, поскольку менее подвержены сбоям или прерываниям. Тем не менее, существуют некоторые риски безопасности, связанные с оптическими сетями, например, Атаки типа «отказ в обслуживании», вредоносные инсайдеры и физический доступ к устройствам.

Недостатки оптических сетей связи

Несмотря на множество преимуществ оптических сетей, с ними также связаны некоторые проблемы. Во-первых, они дороги, так как затраты на оборудование и установку могут быть довольно высокими. Во-вторых, их может быть сложно обслуживать, поскольку оборудование необходимо регулярно проверять и отлаживать. Наконец, они также уязвимы для воздействий окружающей среды, таких как экстремальные температуры и влажность.

Интернет-серфинг более вреден для климата, чем многие думают. Если бы Интернет был страной, он был бы номером 6 по выбросам в мире. Но между интернет-технологиями есть большие различия.

Ресурсоэффективность оптических сетей связи

Большинство людей знают, что оптоволоконные кабели передают данные быстрее и надежнее, чем другие сети связи. Но знаете ли вы, что эта технология намного более ресурсоэффективна, чем интернет через медный или телевизионный кабель?

Исследователи изучили энергопотребление для различных сценариев: какое влияние оказывает количество подключенных домохозяйств? Имеет ли значение, пользуемся ли мы интернетом в городе, за городом или в полугородской зоне с использованием оптоволоконной технологии полностью или частично? Оптоволокно до вашего собственного дома всегда является наиболее устойчивым путем к Интернету, и что эта технология даже имеет дополнительный потенциал экономии около 40%, если такие компоненты, как маршрутизаторы, чаще переводились в режим ожидания.

Потребляетв 2,6 раза меньше электроэнергии, чем сети, в которых подключено только здание, а остальную часть пути до квартиры данные проходят по медному кабелю.

Потребляет в 3 раза меньше электроэнергии, чем сети, в которых оптоволокно доводит данные только до соседнего уличного шкафа, а опуда используется медный кабель (известный как векторизация или VDSL).

Потребляетв 6 раз меньше электроэнергии,чем сети, в которыхобмен данными осуществляется по телевизионному кабелю.

Рисунок 3 - Преимущества оптико-волоконной сети связи [1, 4] Заключение

Оптические сети — это усовершенствованная форма сетей связи, в которых в качестве основной среды передачи ис-

пользуются оптические волокна. Они предлагают ряд преимуществ по сравнению с традиционными медными сетями, включая более высокие скорости, большую надежность и лучшую безопасность. Они используются в различных приложениях, например, в телекоммуникациях, в центрах обработки данных и в корпоративных сетях. Несмотря на множество преимуществ оптических сетей, они могут быть дорогими и сложными в обслуживании.

Оптико-волоконные кабели являются чрезвычайно хорошим выбором для различных приложений и сетевых потребностей. Стекло является одним из наиболее распространенных природных материалов, что делает вопрос доступности незначительным. Сеть через оптоволокно стала глобальным явлением, упрощая сбор необходимых частей и компонентов для вашего конкретного приложения. Волоконно-оптические кабели доступны в различных конструкциях и с разной скоростью передачи данных. Еще одним важным преимуществом оптических волокон со стеклянной сердцевиной является их способность выдерживать суровые условия окружающей среды. В отличие от пластика оптоволоконные кабели можно прокладывать рядом с печами или другими источниками тепла. Волоконная оптика может работать как с инфракрасным излучением, так и с излучением в видимом диапазоне. Точно так же, как оптоволоконный кабель подходит для высоких температур окружающей среды, он также может выдерживать низкие температуры.

Изучение энергопотребления оптоволоконных сетей связи показало, что эта технология не только быстрее и надежнее, но и более ресурсоэффективна по сравнению с интернетом через медный или телевизионный кабель. Оптоволокно до дома является наиболее устойчивым путем к Интернету, и даже имеет потенциал экономии до 40%, если маршрутизаторы будут чаще переводиться в режим ожидания. Это означает, что оптоволоконные сети связи могут быть не только более надежными, но и более экологически чистыми в будущем.

Литература

1. Бабкин О.Э., Ильина В.В. Оптико-волоконные кабели -проблемы производства и перспективы развития. В сборнике: Актуальные вопросы развития индустрии кино и телевидения в современной России. Материалы I Национальной научно-практической конференции. 2018; 33-35.

2. Колмаков В.О., Товстенко Д.С., Полякова В.В. Применение оптоволоконных технологий на станции Иланская. В сборнике: Инновационные технологии на железнодорожном транспорте. Труды XXV Всероссийской научно-практической конференции КрИЖТ ИрГУПС. В 2-х томах. Красноярск, 2021; 35-39.

3. Михалев В.С. Снижение надежности работы линий электропередачи 110 кв, оборудованных оптико-волоконными кабелями связи. В сборнике: Стратегия развития сельского хозяйства в современных условиях - продолжение научного наследия Листопада Г.Е., академика ВАСХНИЛ (РАСХН), доктора технических наук, профессора. национальная научно-практическая конференция. 2019; 243-249.

4. Симонов В.С., Малявко А.Н. Эффективность применения алгоритмов динамического распределения полосы пропускания в пассивной оптической сети связи. В сборнике: Наука. Технологии. Инновации. Сборник научных трудов. В 9-и частях. Под редакцией А.В. Гадюкиной. 2019; 108-110.

5. Чумаров С.Г., Ремнев П.Ю. Моделирование спящих режимов пассивных оптических сетей. В сборнике: Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем. Материалы XIII всероссийской научно-технической конференции. 2019; 450-453.

X X

о

го А с.

X

го m

о

м о м

CJ

6. Исследование Национального института информационных и коммуникационных технологий Японии (NICT) от 14 февраля 2020 г. Sumitomo Electric Industries, Ltd. https://www.nict.go.jp/en/press/2020/02/14-1 .html

Fiber-optic communication networks Gerasimov A.S.

Moscow State University of Printing Arts

JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90_

In the field of broadband network media, fiber optics is the most common solution. Optical networks are an advanced form of communication networks that use optical fibers as the main medium for data transmission. Lasers and LEDs are used to transmit signals at different points, providing high-speed data and voice services. Few people know about polymer optical fibers, which are a competitive solution compared to optical fibers. And both plastic optical cables and fiber optic cables have their pros and cons. This article discusses key points related to these two components, such as cost, flexibility, and performance, as well as their applications in various industries such as medicine, aviation, telecommunications, and more. The choice between fiber optics and polymer optical fibers depends on many factors, such as project scale, bandwidth requirements, and budget. Whatever the choice, it is important to understand that both types of optical fibers are reliable and efficient solutions for data transmission in the modern world.

Keywords: optical networks, optical fibers, fiber-optic networks, use of optical fiber, means of communication.

References

1. Babkin O.E., Ilyina V.V. Optical fiber cables - production problems and development

prospects. In the collection: Topical issues of the development of the film and television industry in modern Russia. Materials of the I National Scientific and Practical Conference. 2018; 33-35.

2. Kolmakov V.O., Tovstenko D.S., Polyakova V.V. Application of fiber optic

technologies at the Ilanskaya station. In the collection: Innovative technologies in railway transport. Proceedings of the XXV All-Russian scientific-practical conference KRIZhT IrGUPS. In 2 volumes. Krasnoyarsk, 2021; 35-39.

3. Mikhalev V.S. Decreased reliability of 110 kV transmission lines equipped with fiber-

optic communication cables. In the collection: The strategy for the development of agriculture in modern conditions is the continuation of the scientific heritage of Listopad G.E., academician of the All-Russian Academy of Agricultural Sciences (RAAS), doctor of technical sciences, professor. national scientific and practical conference. 2019; 243-249.

4. Simonov V.S., Malyavko A.N. Efficiency of application of dynamic bandwidth

allocation algorithms in a passive optical communication network. In the collection: Science. Technologies. Innovation. Collection of scientific papers. In 9 parts. Edited by A.V. Gadyukina. 2019; 108-110.

5. Chumarov S.G., Remnev P.Yu. Simulation of sleeping modes of passive optical

networks. In the collection: Dynamics of non-linear discrete electrical and electronic systems. Materials of the XIII All-Russian Scientific and Technical Conference. 2019; 450-453.

6. February 14, 2020 study by the National Institute of Information and Communication

Technology of Japan (NICT) by Sumitomo Electric Industries, Ltd. https://www.nict.go.jp/en/press/2020/02/14-1.html

fO СЧ

о

es

о ш m

X

3

<

m О X X