CC BY
66
УДК 681.7.06:654.078
ОПТОВОЛОКОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
Е. А. Бадеева1, Д. А. Усачев2, И. А. Чернов3, В. А. Бадеев4, М. В. Соломанидин5
1'2'3'4'5Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
1badeeva_elena@mail.ru 2usachev.dmitri899@mail.ru
3igorchernov999@mail.ru 4vladbadeev4464@gmail.com 5solomanidin99@icloud.com
Аннотация. Актуальность и цели. Современное жизнеобеспечение человечества невозможно без таких ресурсов, как время, скорость информации и объем данных. Передача информации по системам связи на базе волоконных технологий имеет ряд плюсов по сравнению с передачей по другим устаревающим вариантам кабельных линий (медному, электрическому и т.д.). Появление волоконно-оптической связи стало истинным технологическим прорывом, и сегодня оптоволоконные системы находят свое все большее применение в областях, где необходима передача данных, начиная от персональных компьютерных систем обработки и передачи информации до бортовых галактических, самолетных, телекоммуникационных систем сверхбольших расстояний. За счет прокладки подводных волоконно-оптических линий связи и функционирования систем передачи соединяются континенты. Предметом настоящего исследования является раскрытие современных возможностей оптоволоконных технологий в системах передачи данных. Целью данной работы является анализ современного этапа развития волоконно-оптических линий связи для передачи данных. Методы. В работе применялись теоретические методы исследования: обобщение, сравнительный анализ, синтез (объединение), изучение и анализ научно-технической литературы. Результаты. Раскрыты характеристики волоконно-оптических систем передачи данных, принцип действия, отмечены их преимущества и недостатки. Выводы. Волоконно-оптические системы передачи большого потока информации становятся неотъемлемой частью человечества и постепенно находят свое применение во всех сферах жизнедеятельности. Дальнейший этап развития оптоволоконных технологий в системах передачи данных будет обусловлен внедрением 5G (fifth generation) поколения мобильной связи.
Ключевые слова: оптическое волокно, волоконно-оптический кабель, волоконно-оптическая линия связи, волоконно-оптическая система передачи данных, информационная система, защита информации, информационная сеть, полоса пропускания, дальность передачи
Для цитирования: Бадеева Е. А., Усачев Д. А., Чернов И. А. [и др.]. Оптоволоконные технологии в системах передачи данных // Вестник Пензенского государственного университета. 2022. № 2. С. 64-69.
Введение
Количество и качество современных информационных потоков растут большими темпами, растет и размер данных, необходимый для передачи с минимальными потерями информации. Быстрый и надежный способ передачи данных различных технических
© Бадеева Е. А., Усачев Д. А., Чернов И. А., Бадеев В. А., Соломанидин М. В., 2022
64
систем (вычислительные сети, системы видеонаблюдения, системы управления данными хозяйствующих субъектов и т.п.) приобретает исключительную важность в последние годы. Сегодня средой передачи потока информации является оптическое волокно (ОВ), ввиду того, что обладает высокой пропускающей способностью, по последним исследованиям ученых порядка более 300 Тбит в секунду (на 2021 г.), и дальностью передачи на значительные расстояния до 100 км [1-4].
Активно внедряются волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), работающие в оптическом диапазоне и позволяющие передавать более точную информацию, повышая ее надежность и защищенность. ВОЛС находят свое применение в областях, где необходима передача данных, начиная от персональных компьютерных систем обработки и передачи информации до бортовых галактических, самолетных, корабельных, телекоммуникационных систем сверхбольших расстояний. За счет прокладки подводных волоконно-оптических линий связи соединяются континенты [5-9].
ВОЛС является устоявшимся названием, ВОСП - волоконно-оптическая система передачи - понятие, закрепленное в ГОСТ Р 54417-20111. В своей основе ВОСП имеют волоконно-оптической кабель (ВОК), содержащий ОВ, покрытые оболочкой; ОВ, входящие в состав ВОК, изготавливаются преимущественно из стекла и полимеров [6, 8, 10].
Развитие и внедрение ВОСП соответствует приоритетным национальным проектам и программам цифровизации экономики РФ, ее отраслей, обеспечивающим создание устойчивой и безопасной информационно-телекоммуникационной инфраструктуры высокоскоростной передачи, обработки и хранения больших объемов данных [11, 12].
Актуальность перехода на волоконно-оптические технологии при передаче потока данных обуславливается и тем, что медь и свинец относятся к дефицитным металлам, и постепенно в РФ и во всем мире сокращаются их запасы, а для изготовления ВОК, не содержащего в своем составе металлов, это не требуется [8, 13, 14].
Материал и методика
Изучение и раскрытие современных возможностей оптоволоконных технологий в системах передачи данных базировались на изучении, обобщении, синтезе и анализе литературных источников [1-28].
Исследование показало, что ВОСП имеют ряд преимуществ по сравнению с другими методами передачи информации. За счет своей высокой скорости передачи информации объем данных поставляется быстрее, нежели в электрических линиях связи. Длина ВОСП достигает 100 км и более при малом затухании светового сигнала [6]. Хорошая помехоустойчивость ОВ позволяет избегать помех со стороны других кабельных линий (медных, электрических и т.д.). ВОСП являются влагозащищенными и безразличными к электрическим излучениям. Передаваемая информация по ВОСП защищается от перехвата с помощью различных способов кодировки, шифровки, применения специальных устройств [5, 15-17].
В ВОСП используются одномодовые и многомодовые ОВ (рис. 1). Для передачи информации на большие расстояния рекомендовано использование одномодового ОВ, пропуская единичный световой сигнал, оно обладает низким значением затухания. Одномодовое ОВ имеет меньший диаметр сердечника: порядка 7-9 мкм. Многомодовые ОВ используют на коротких расстояниях, передавая несколько световых сигналов [6-10].
1 ГОСТ Р 54417-2011. Компоненты волоконно-оптических систем передачи. Термины и определения (дата введения: 2012-07-01). М. : Стандартинформ, 2012. 12 с.
Оболочка
Рис. 1. Структура оптического волокна
Для ВОК необходимы особые условия эксплуатации: если возникает нарушение его целостности, требуются мероприятия по устранению данной неполадки, при этом необходимо применение специального вида сварки ОВ с использованием особого сварочного аппарата. Данное обстоятельство можно отнести к недостаткам данного вида связи [18].
Проблема безопасного и надежного объединения информационного потока удаленными между собой городскими сообществами на большие расстояния решается с помощью прокладки ВОК линии связи в грунт (рис. 2) [19].
Рис. 2. Прокладка ВОК в грунт
Активная прокладка стартовала в России еще с 1990 г. и в реальное время продолжает совершенствоваться и активно развиваться [19].
В процессе подготовки к использованию и непосредственной эксплуатации ВОCП требуется постоянный мониторинг и контроль качества компонентов линии связи, в том числе входные испытания аппаратуры элементов передачи данных на «стресс», измерение уровня оптической мощности, измерение затухания, определение места и характера
возможного повреждения ВОК [20-22]. Контролируется защищенность ВОСП от несанкционированного доступа, что позволяет обеспечивать достоверную передачу информации, выявление неполадок в оптоволоконных линиях, уведомление о них (подается сигнал тревоги), а также их точное местоположение.
Обсуждение
Развитию и активному внедрению в последние годы ВОСП способствует создание в России завода по производству ОВ специально для линий связи [23, 24]. Так в 2021 г., согласно официальным данным, выручка АО «Оптиковолоконные Системы» превысила 1 млрд руб., а уровень продаж впервые достиг 2,7 млн км ОВ, включая потребление внутреннего рынка и экспортные поставки, которые выросли более чем в 1,5 раза за счет наращивания сотрудничества с клиентами в странах Европейского Союза. В 2021 г. АО «Оптиковолоконные Системы» начало реализацию проекта по выпуску нового типа ОВ G.654.E. для проекта ПАО «Ростелеком» по строительству новой ВОСП от западных до восточных границ РФ - ТЕА NEXT («Транзит Европа - Азия нового поколения») [23, 24].
В ближайшем будущем будет предусмотрен переход на технологию программно-определяемых сетей, в связи с этим увеличится спрос на глобальную магистральную сеть (рис. 3) [25].
Скорость передачи Характеристики системы передачи Год
8 Тбит/с 100G, SE=2, 4-THz Optical Spectrum, 32Gbaud OE Devices, SD-FEC Algorithm, 40nm Process 2013
16 Тбит/с 200G, SE=4, 4-THz Optical Spectrum, PDM-16QAM, FITH Algorithm, i6nm Process 2016 Тбит/с 64 32 16 8
32 Тбит/с 400G, SE=5.3, 6-THz Optical Spectrum, >64Gbaud OE Devices, PCS Algorithm, 7nm Process 2019
64 Тбит/с 800G/1T, SE=6.4, 10-THz Optical Spectrum, >100Gbaud OE Devices, PCS Algorithm for high SE, NLC Algorithm, Superchannel Joint, Processing Algorithms, 5nm Process 2022
2013 2016 2019 2022 Год
Рис. 3. Рост спроса на глобальную сеть
Подъем трафика, рост числа подключений к Интернету устройств, развитие облачных технологий, экспоненциальный рост объемов информации, интернет-вещей, виртуальная реальность - все это потребует для удовлетворения потребностей новых систем совершенствования волоконно-оптических технологий передачи данных, подхода к процессу изготовления, формированию структуры ОВ, изменению оптического спектра и усилению сигнала [25].
Современные цифровые системы передачи данных, построенные на оптоволоконных технологиях, занимают ведущее место в системах связи различного назначения, а реализация нового проекта беспроводных сетей 5G в перспективе потребует подвода качественно обновленных ВОК [26]. Выделяются следующие характеристики будущих
волоконно-оптических сетей в эпоху 5G: увеличенная пропускная способность ОВ, массивные оптические перекрестные соединения, интеллектуальная эксплуатация и обслуживание сетей [26].
Протяженность и охват территорий ВОСП играют важную роль в жизни человека и помогают в решении проблем жителей, расположенных в труднодоступных местах. Так, например, в Пензенской области «Ростелеком» увеличил протяженность ВОСП, тем самым обеспечив многие города и сельские населенные пункты доступным беспроводным интернетом [27, 28]. Это позволило получать жителям, предприятиям и учреждениям доступную информацию на высокой скорости, пользоваться платформами для поиска работы, записи к врачам, дистанционному обучению, пользоваться социальными сетями, делать онлайн-покупки, осуществлять необходимые заказы на интернет-сайтах и многое другое. На сегодняшний день в Пензенской области планируется как можно больше километров современных линий связи провести между райцентрами и селами, в том числе и отдаленными, для создания мощной инфраструктуры оптоволоконной связи [27, 28].
Выводы
В связи с развитием в настоящее время новых информационных технологий, услуг связи и управления ею, роста объема данных, которые нужно передать с достаточно высокой скоростью и точностью, можно подвести итог, что волоконно-оптические технологии и построенные на их основе ВОСП позволяют решать данные задачи. Преимущества, раскрытые в исследовании, подтверждают, что данные линии связи являются надежными, долговечными (срок службы достигает до 25 лет) и лучшими в своем использовании, а также более востребованными по сравнению с другими. В результате ВОСП являются неотъемлемой частью человечества и находят свое применение во всех сферах жизнедеятельности, а внедрение нового sG-поколения мобильной связи будет диктовать дальнейший этап развития оптоволоконных технологий в системах передачи данных.
Список литературы
1. ВОЛС (волоконно-оптические линии связи). URL: https://skomplekt.com (дата обращения: 20.12.2021).
2. Оптоволоконная связь. URL: https://www.tadviser.ru (дата обращения: 20.12.2021).
3. Денисов Д. Новый рекорд скорости передачи данных в оптической связи. URL: https:// nag.ru (дата обращения: 12.12.2021).
4. Исследователи достигли скорости передачи данных в 100 терабит/с. URL: https:// habr.com/ru (дата обращения: 20.12.2021).
5. The Fiber Optic Association, Inc. the international professional association of fiber optics. URL: https://www.thefoa.org (дата обращения: 20.12.2021).
6. Elliott B. J. Cable Engineering for Local Area Networks. Cambridge, England, 2000. P. 161-185. (Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials).
7. Проблемы построения новой волоконно-оптической инфраструктуры в Японии // Век качества. 2010. № 4. С. 34-35.
8. Гафуров А. М., Гафуров Н. М., Гатина Р. З. Оптоволоконные системы для передачи возрастающего объема информации // Вестник КГЭУ. 2016. № 4. С. 60-71.
9. Шарварко В. Г. Волоконно-оптические линии связи : учеб. пособие. Таганрог : Изд-во ТРТУ, 2006. 70 с.
10. Мурашкина Т. И., Бадеева Е. А. Волоконно-оптические приборы и системы: научные разработки НТЦ «Нанотехнологии волоконно-оптических систем» Пензенского государственного университета. СПб., 2018. Ч. I. 187 с.
11. Национальная программа «Цифровая экономика Российской Федерации». URL: https:// digital.gov.ru (дата обращения: 20.12.2021).
12. Об утверждении стратегического направления в области цифровой трансформации государственного управления : распоряжение Правительства РФ № 2998-р от 22.10.2021. URL: https:// www.garant.ru (дата обращения: 20.12.2021).
13. О стратегии развития минерально-сырьевой базы РФ до 2035 г. : распоряжение Правительства РФ № 2914-р от 22.12.2018. URL: https://www.garant.ru (дата обращения: 20.12.2021).
14. Механик А. Металлический голод все ближе // Стимул. 2019. URL: https://stimul.online (дата обращения: 20.12.2021).
15. Тимофеев А. М. Устройство для передачи и приема двоичных данных по волоконно-оптическому каналу связи / / Приборы и методы измерений. 2018. Т. 9, № 1. С. 17-27.
16. Курбонов С. С. Безопасность передовых оптических коммуникационных сетей связи // ORIENSS. 2021. Т. 1. Вып. 11. С. 549-555.
17. Уктамжонов Ш., Косимов И., Отахужаев Ж. Способ защиты информационного сигнала от несанкционированного доступа в ВОЛС // European science. 2019. № 3. С. 30-34.
18. Сравнительная таблица сварочных аппаратов и скалывателей для ВОЛС. URL: https:// iron-harry.ua (дата обращения: 12.12.2021).
19. Прокладка оптического кабеля в грунт. URL: https://vols.expert (дата обращения: 12.12.2021).
20. Хромой Б. П. Метрология и измерения в телекоммуникационных системах. М. : ИРИАС, 2007. 411c.
21. Утетлеу Б., Хромой Б. П. Основные принципы выбора измерительных приборов для строительства волоконно-оптических линий связи // Телекоммуникации и информационные технологии. 2018. Т. 5, № 2. С. 43-47.
22. Хромой Б. П., Железов Д. Б. Измерительный комплекс для мониторинга и контроля параметров оптических компонентов сети // Экономика и качество систем связи. 2018. № 4. С. 59-63.
23. АО «Оптиковолоконные Системы». URL: https://rusfiber.ru (дата обращения: 20.12.2021).
24. «Оптиковолоконные Системы» увеличили объем продаж на 30 % в 2021 году. URL: https://rusfiber.ru (дата обращения: 20.12.2021).
25. Модернизация волоконно-оптической инфраструктуры для реализации программы развития цифровой экономики. URL: https://json.tv (дата обращения: 20.12.2021).
26. Xiang Liu. Evolution of Fiber-Optic Transmission and Networking Towards the 5G Era // iScience 22. November 2019. Р. 489-506.
27. Ростелеком провел линии ВОЛС к поселкам в Пензенской области. URL: https:// linesv.ru (дата обращения: 12.12.2021).
28. «Ростелеком» увеличил протяженность волоконно-оптических линий связи в Пензенской области. URL: https://penza.bezformata.com (дата обращения: 12.12.2021).
Информация об авторах
Бадеева Елена Александровна, доктор технических наук, профессор кафедры «Радиотехника и радиоэлектронные системы», Пензенский государственный университет
Усачев Дмитрий Алексеевич, студент, Пензенский государственный университет
Чернов Игорь Алексеевич, студент, Пензенский государственный университет
Бадеев Владислав Александрович, слушатель, Пензенский государственный университет
Соломанидин Максим Владиславович, студент, Пензенский государственный университет
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
