CC BY
181
УДК 004.7
ОПТОВОЛОКОННЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ВОЗРАСТАЮЩЕГО ОБЪЕМА ИНФОРМАЦИИ
Гафуров А.М.1, инженер Гафуров Н.М. , студент Гатина Р.З.2, студент
1Казанский государственный энергетический университет 2Казанский национальный исследовательский технологический
университет Контакты: progress150987@rambler.ги
В работе рассматриваются современные методы передачи данных на основе оптоволоконных систем. Основные технические характеристики и преимущества их использования в телекоммуникациях, сложность их изготовления по сравнению с металлическими системами. В связи с ростом требований, предъявляемых новыми сетевыми приложениями, становится все более актуальным применение оптоволоконных технологий в структурированных кабельных системах. Анализируется зарубежный опыт внедрения и эксплуатации современных оптоволоконных систем. Достижения и прогнозы рекордных скоростей передачи данных на большие расстояния. Приводятся расчеты теоретически возможной пропускной способности оптоволоконного канала связи.
Ключевые слова: оптоволоконные сети, передача данных, световые волны, цветовые каналы.
В настоящее время во всем мире средства телекоммуникации переживают период широчайшего внедрения волоконно -оптических систем передачи (ВОСП) в практику. Стремительный процесс информатизации общества явился главной причиной широкого использования ВОСП на информационных сетях различного назначения. Жизнь современного человека невозможно представить без использования интернета, кабельного телевидения, средств телефонии и прочих благ.
60
Особая актуальность развития волоконно-оптических линий связи обусловлена тем, что ресурсы меди и свинца ограничены, а кабельная промышленность потребляет из общих ресурсов до 50% меди и 25% свинца. Оптические кабели не требуют дефицитных металлов и изготовляются, как правило, из стекла и полимеров.
Оптоволоконные сети обеспечивают наибольшее на сегодняшний день скорости, что дает хороший повод к развитию технологий передачи данных по оптоволокну. Пропускная способность может достигать порядка Терабит (1000 гигабит) в секунду. Если сравнивать с другими способами передачи информации, то порядок величин Тбит/с просто недостижим. Еще один плюс таких технологий - это надежность передачи. Передача по оптоволокну не имеет недостатков электрической или радиопередачи сигнала. Волоконно-оптические кабели полностью не зависят от электромагнитных помех (EMI), радио помех (RFI), молний и высоких скачков напряжения. Они не страдают от емкостных или индуктивных проблем связи. Отсутствуют помехи, которые могут повредить сигнал, и нет необходимости лицензировать использование радиочастоты.
По прогнозам компании Cisco, к 2018 году объемы данных увеличатся втрое, и только 40% из них будут приходиться на долю компьютеров и рабочих станций, подключенных к сети интернет по кабелю. Остальную часть будут потреблять новые абоненты беспроводной сети интернет: смартфоны, планшеты и сетевые устройства.
Для передачи информации по оптическому кабелю используется эффект отражения луча, падающего на границу двух сред с различными показателями преломления.
Оптоволокно - это волновод, по которому распространяются электромагнитные волны с длиной волны порядка тысячи нанометров. Это область инфракрасного излучения, невидимого человеческим глазом. За счет эффекта полного отражения света, можно
61
заставить луч распространяться внутри ограниченной замкнутой среды, проделывая путь от источника сигнала до его приемника. Однако для этого необходимо две среды с разной плотностью. Чаще всего в их качестве применяются кварцевые стекла различной плотности. Волну впускают в более плотную среду, ограниченную менее плотной. Среды вытягивают в так называемое оптическое волокно (1), сердцевину которого составляет более плотное стекло, в разрезе представляющее окружность и часто называемого световодом (рис. 1). Данный сердечник покрывают оболочкой (2) из менее плотного стекла, при достижении которого транспортируемый сигнал будет полностью отражаться. Для предотвращения механических повреждений конструкция также снабжается защитной оболочкой (3), именуемой первичным покрытием [1].
В отличие от беспроводного соединения, проблем с пропускной способностью канала при передаче данных световыми волнами с высокой частотой не возникает. В настоящее время уже используются оптоволоконные кабели, позволяющие передавать данные на большие расстояния с пропускной способностью до 100 Гбит/с и с шириной частотных каналов, соответственно, в
1. Оптическое волокно
Рис. 1. Структура оптоволоконного кабеля
62
100 ГГц, в которых используются волны длиной от 1300 до 1600 нанометров.
Европейская комиссия планирует к 2020 году достичь скорости передачи данных в 1000 Тбит/с, чтобы суметь покрыть потребности широкополосного доступа. Это является довольно сложной задачей, которая существенно превосходит возможности современных сетевых технологий, особенно когда речь заходит о передаче данных на расстояния в десятки километров и более.
На таких расстояниях передавать сигнал без искажений может только одномодовый (одножильный) оптоволоконный кабель (Single-core fiber), причем он обеспечивает передачу только одного светового сигнала, примерно 9,6 Тбит/с (рис. 2). Хотя уже используются многомодовые и многожильные волокна, в которых несколько световых сигналов проходят параллельно, их можно использовать только на расстояниях в несколько километров. Чем больше расстояние, тем сильнее ослабление сигнала.
Одножильное Распространение волн Сигнал
Рис. 2. Одномодовое оптоволокно: по тонкой сердцевине может распространяться только одна световая волна, при этом на большие расстояния
Основное их отличие в толщине сердечника и оболочки. Так толщина одномодового кабеля составляет 9/125 микрон, а много-модового - 50/125 микрон (рис. 3). При сигнале по одномодовому кабелю генерируется волны одной длины, в то время как многомо-довые сигналы переносят волны различной длины. В одномодовом
63
кабеле потери мощности сигнала практически исключены, что дает ему большее преимущество перед многомодовым. Но из -за того, что одномодовый кабель стоит дороже и имеет сравнительно большой радиус изгиба по сравнению с многомодовым, для большинства оптоволоконных сетей используют все же многомодовый кабель [2].
В многомодовых волокнах световые волны распространяются каждая под своим углом, из-за чего по-разному отражаются от оболочки и по-разному поступают на приемник. В одном много-модовом оптоволоконном кабеле может быть 80-100 мод. При этом диаметр сердечника, проводящего свет, увеличивается от 50 до 100 мкм.
Рис. 3. Многомодовое оптоволокно: большой диаметр сердечника позволяет волнам распространяться по нескольким различным путям (модам)
В многожильных оптоволоконных кабелях возможно использование нескольких отдельных волокон, диаметр которых от 8 до 10 мкм - соответствует диаметру одножильных кабелей (рис. 4). Однако пропускную способность многожильных кабелей нельзя увеличивать бесконечно: оптоволокно диаметром более 0,2 мм оказалось слишком хрупким [3].
64
Рис. 4. Многожильное оптоволокно: наличие нескольких волокон в одном кабеле, что повышает скорость передачи данных
В итоге получается, что небольшой диаметр и интерференция сигналов ограничивают возможное количество волокон в многожильном и многомодном соединениях. Для оптимальной дальности действия подходят в первую очередь многожильные кабели с семью волокнами.
Ученые и инженеры предпринимают попытки оптимизировать многожильные и многомодовые волокна для использования на больших расстояниях, что сразу увеличило бы пропускную способность в разы.
В 2014 году международная рабочая группа High-Speed Optical Communications Group на типе кабеля, предложенной японской компанией Telekom NTT, установила новый рекорд скорости в 43 Тбит/с. Сигнал в многожильном кабеле с семью волокнами создавал единственный лазер. Несколько месяцев спустя международная исследовательская команда из Нидерландов и США объявила о новом достижении в 255 Тбит/с. Такой скачок стал возможным благодаря тому, что каждое из семи волокон передавало одновременно по три моды. Небольшие отверстия, проделанные вокруг этих маломодовых волокон, эффективно экранировали световые волны друг от друга. Подобный кабель способен передавать 21 сигнал на расстоянии до одного километра без искажений [4].
65
Такая одновременная передача нескольких сигналов на одинаковых частотах по многомодным и многожильным кабелям называется пространственным уплотнением каналов (Spatial division multiplexing, SDM) и является аналогом технологии MIMO, использующейся в WLAN и LTE. SDM заменяет два устаревших метода: временного (TDM) и спектрального (WDM) уплотнения каналов [5].
Технология TDM позволяет передавать низкоскоростные сигналы из нескольких источников один за другим по высокоскоростному оптоволоконному соединению и разделять сигналы одной высокоскоростной линии на несколько низкоскоростных (рис. 5).
Рис. 5. Схема мультиплексирования с разделением по времени (TDM): передача нескольких низкоскоростных сигналов в одном высокоскоростном
Наиболее эффективный является метод WDM, который разделяет полосу на цветовые каналы и передает по ним данные одновременно (рис. 6). При помощи WDM можно разделить частотный спектр на несколько каналов (цветов) для одновременной передачи данных на разных частотах. Сигнал для каждого канала
66
излучает отдельный лазер. Каждый канал передает на своей длине волны, и каждый лазер отвечает за свой цвет [6].
Рис. 6. Схема мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM)
Чтобы сигналы не интерферировали, между ними должен сохраняться определенный интервал. Как правило, интервал между пиками составляет 100 или 50 ГГц: когда был поставлен рекорд скорости в 255 Тбит/с, сигналы передавались на 50 каналах, а интервал составлял 50 ГГц.
В 2016 году успешно заработал подводный интернет-кабель под названием «Faster» («Быстрее»), проложенный по дну Тихого океана. Транстихоокеанский подводный кабель длиной 9000 километров связывает Японию и западное побережье США. Его пропускная способность составляет 60 Тбит/с, что приблизительно в 10 миллионов раз быстрее, чем у среднестатистического проводного модема. «Faster» - первый подводный кабель, который позволяет использовать многоцветный свет для передачи данных по оптоволокну. Он оснащен репитерами через каждые 60 км для
67
обеспечения сверхвысокой пропускной способности на расстояния до 9000 км по дну океана [7].
Известны также успешно завершившиеся тестовые испытания отправки данных по оптоволокну на несколько сотен километров, которые доказали, что даже для передачи на большие расстояния можно располагать несколько WDM-каналов на одних и тех же частотах. Поставщику оборудования для сетей связи Alcatel-Lucent совместно с British Telecom удалось при проведении полевых испытаниях уменьшить интервал между пиками с 50 до 35 ГГц. Таким образом, рекордная скорость передачи данных уже в ближайшее время может увеличиться с 255 Тбит/с до 365 Тбит/с [8].
Теоретическая ширина спектра сигнала, которая может быть передана по волокну, очень высока - порядка 50-300 ГГц на короткие расстояния. В реальности ширина полосы пропускания в системе определяется длиной волны, оптикой, электроникой, коммутационным оборудованием, волокном и длиной участка. На рис. 7 отображена зависимость ширины полосы пропускания в системе от расстояния кабеля в многомодовых и одномодовых волокнах.
Существует значительная разница в ширине полосы пропускания в системе между многомодовыми и одномодовыми волокнами (рис. 7). Многомодовое волокно дает возможность проходить нескольким световым модам, что увеличивает хроматическую и модовую дисперсию. Данная дисперсия светового сигнала значительно ограничивает информационную пропускную способность многомодового волокна. Одномодовое волокно обладает широкой полосой пропускания, что полезно для будущего развития сетей.
Большинство световодов общего назначения дает на длине волны 850 нм потери от 4 до 6 децибел на километр (то есть на одном километре теряется от 60 до 75% света). На длине волны 1300 нм потери снижаются до 3 -4 дБ/км (50-60%), а на 1550 нм они еще меньше - 0,5 дБ/км (10%) [9].
68
1000000 т
о е.
я 1000
s -
о
С
100
—■
4 000
о
1 ООО
2 000
3 000
Расстояние, м
Рис. 7. Полоса пропускания (ПП) оптических систем: —•— ПП одномодового волокна,
—■— ПП многомодового волокна
Для определения пропускной способности канала (линии) связи в расчет берется взаимосвязь между возможной пропускной способностью и полосой пропускания канала (линии) связи. Причем для определения и расчета в данном случае не важен способ физического кодирования. Теоретически это определяется законом Шеннона-Хартли, которые и определили формулу для расчета пропускной способности канала связи, бит/с:
где F - ширина полосы пропускания, Гц; SNR (Signal-to-Noise Ratio) - отношения мощности сигнала Рс к мощности шума (помех) Рш, децибелах (дБ) [10].
(
С = F ■ log 2 (1 + SNR ) = F ■ log 2 1 +
(1),
69
Сама формула Шеннона дает теоретически достижимый максимум. На практике, однако, достигаются значительно меньшие скорости передачи данных. Одной из причин этого является то, что в формуле учитывается только белый шум (то есть тепловой) и не учитываются импульсные помехи, амплитудные искажения или искажения, вызванные запаздыванием.
Рассмотрим оптическое волокно, у которого отношение сигнал/шум составляет 35 дБ. Далее найдем превышение уровня сигнала над уровнем шума по формуле:
35 дБ = 101оё10(БЖ), 3,5 = ЬВю^Ж), N = 3162.
Используя формулу (1) найдем пропускную способность канала, теоретический предел:
С = 100 • 109 • 1о§2(1 + 3162) = 1,16 Тбит/с.
Из расчета пропускной способности по закону Шеннона-Хартли можно сделать вывод, что надо использовать более широкий кабель, либо соотношение сигнала к шуму сделать в разы больше (или увеличить сигнал, или уменьшить внешние шумы).
Выводы
1) Волоконно-оптические линии связи и современные цифровые системы передачи в настоящее время занимают ведущее место в системах связи различного назначения. Любые современные точки (оборудования) беспроводного доступа, а в перспективе реализация проекта 5G, требуют подвода волоконно-оптического кабеля.
70
2) В настоящее время наиболее «узким» местом для повышения скорости передачи информации ВОСП является оптический модулятор. Максимальная рабочая частота модулятора составляет 100 ГГц.
Источники
1. Chakrabarti P. Optical Fiber Communication. Tata McGraw - Hill Education, 2015. 606 p.
2. Michael K. Barnoski. Fundamentals of Optical Fiber Communications, Second Edition. Academic Press, 2012. 364 p.
3. Семенов А.Б. Волоконно-оптические подсистемы современных СКС. Изд-во ДМК Пресс, Компания АйТи, 2014. 632 с.
4. Высокоскоростное оптическое волокно будущего. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://ichip.ru/vysokoskorostnoe-opticheskoe-volokno-budushhego.html.
5. Листвин В.Н., Трещиков В.Н. DWDM-системы, второе издание. Москва: Изд-во Техносфера, 2015. 296 с.
6. Сравнение технологий TDM и WDM. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.teralink.ru/?do=printt&id=54.
7. Пропускная способность нового кабеля. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.nix.ru/computer_hardware_news/hardware_news_viewer.html?id=192706.
8. 5G: скоростные сети будущего. [Электронный ресурс ] / Режим доступа: http://htech-world.ru/elektronika/besprovodnye-texnologii/5g-skorostnye-seti-budushhego.html.
9. Самуйлов К.Е., Шалимов И.А., Кулябов Д.С. Сети и системы передачи информации: телекоммуникационные сети. Учебник и практикум. Изд-во Юрайт, 2016. 364 с.
10. Binh L.N. Noises in Optical Communications and Photonic Systems. CRC Press, 2016. 474 p.
DEVELOPMENT OF FIBER-OPTICAL SYSTEMS FOR TRANSFER OF ESCALATING VOLUME OF INFORMATION Gafurov A.M., Gafurov N.M., Gatina R.Z.
In work modern methods of data transmission on the basis of fiber-optical systems are considered. The main technical characteristics and advantages of their use in telecommunications, complexity of their production in comparison with metal systems. Due to growth of requirements imposed by new network applications there is more and more actual an application of fiber-optical technologies in the structured cable systems. Foreign experience of introduction and operation of modern fiber-optical systems is analyzed. Achievements and forecasts of record speeds of data transmission for long distances. Calculations of theoretically possible capacity of a fiber-optical communication channel are given. Keywords: fiber optic network, data transmission, light waves, color channels.
Дата поступления 17.11.2016.
71
