маловолоконные кабельные системы

Кабельная система — основной элемент волоконно-оптических коммуникаций. Оптический кабель, также как и медный, устроен таким образом, чтобы защитить среду передачи от значительных механических нагрузок, механических повреждений и неблагоприятного воздействия внешних природных условий. Только теперь в качестве среды передачи выступают хрупкие оптические волокна. Существует множество конструкций оптических кабелей (далее ОК), которые отличаются по типу и способу применения — от сверхнадежных подводных, прокладываемых на сотни и тысячи километров по дну океанов и морей до внутриофисных кабелей небольшой протяженности с минимумом защитных элементов.
Число волокон в ОК может варьироваться от единиц до нескольких сотен. В статье рассматриваются области применимости кабелей с малым числом волокон (маловолоконных кабелей), экономические и технологические предпосылки целесообразности их использования.

что такое маловолоконная кабельная система?

Маловолоконная кабельная система (МКС) — это система, базирующаяся на волоконно-оптическом кабеле с числом волокон, не превышающим восьми. В некотором смысле указанные цифры условны, и главная цель приведенного определения — концептуально противопоставить такие маловолоконные оптические кабели (МОК) оптическим кабелям и кабельным системам с большим 24, 36, 96, или очень большим о 144, 216, 648 и т.д. числом волокон, рис.1.

Рис.1 Маловолоконный оптический кабель (а) и фидерные кабели: оптический кабель с большим числом волокон(б), многопарный медный кабель(в).

Маловолоконные кабели не характеризуются какой-либо специальной структурой, напротив, они могут иметь самую разнообразную конструкцию и быть повивной, пучковой, ленточной скрутки, с профильным сердечником и т.д. С ростом числа волокон конструкция кабеля как правило усложняется, что приводит к увеличению размера, веса, стоимости кабеля. В этой связи маловолоконные ОК выгодно отличаются от ОК с большим числом волокон, представляя более экономичное решение.
Исключением являются подводные океанические ОК с малым числом волокон. Так, крупнейшая мировая компания оператор услуг связи FLAG Telecom (FLAG аббревиатура от Fiber Line Around the Glob) 15 июня 2001 г. объявила о вводе в эксплуатацию первой в мире мультитерабитной сети FLAG Atlantic-1 (FA-1). Оптический кабель диаметром около 5 см содержит всего лишь 6 пар волокон. Столь малое число волокон обусловлено большими накладными расходами, связанными с питанием линейных эрбиевых и рамановских усилителей — силовой провод, обеспечивающий их питание, встроен в ОК. Волокон в кабеле достаточно, чтобы обеспечить скорость передачи 2,4 Тбит/с в каждом из направлений: благодаря технологии плотного волнового мультиплексирования (DWDM) в одном волокне передается 40 каналов (длин волн) по 10 Гбит/c на канал. При проектировании транспортной DWDM системы предусмотрено наращивание в будущем до 80 каналов в расчете на одно волокно при сохранении скорости передачи на канал 10 Гбит/ с. Таким образом, максимальная скорость передачи по одному волокну достигнет 800 Гбит/ с.
В статье не будут рассматриваться решения на основе таких дорогостоящих океанических ОК, связывающих континенты, проекты, которые по зубам только крупным международным телефонным компаниям и операторам связи (хотя они как нельзя лучше показывают, насколько эффективно можно использовать ресурсы волокна). Основное внимание уделяется массовым недорогим решениям на основе МКС.

магистральная сеть и сеть доступа

Несмотря на стремительный рост телекоммуникаций во всем мире и активную конкуренцию производителей сетевого волоконно-оптического оборудования, инфраструктуры сетей доступа, которые в городе принято называть "последними милями", оставляют желать лучшего. Объяснение этому явлению довольно простое — при низкой финансовой отдаче строительство сетей доступа требует огромных капиталовложений, главным образом из-за затрат на строительство и обслуживание кабельных систем.
Значительные затраты при построении телекоммуникационной инфраструктуры идут на создание и обслуживание волоконно-оптической кабельной системы.
Одно из таких решений — маловолоконные кабельные системы. К числу преимуществ МКС можно отнести облегчение работ по прокладке кабеля, сращиванию стыков и сварке волокон; уменьшение веса инсталляционного оборудования и, как следствие, снижение численности группы прокладчиков; упрощение процесса прокладки. Все это приводит к снижению стоимости прокладки кабеля и последующих эксплуатационных расходов, включающих ремонтные работы, а также к сокращению времени устранения повреждений.
Благодаря этим свойствам, МКС являются привлекательным решением для создания телекоммуникационных систем в зонах с разреженным расположением абонентов. МКС может выручить заказчика в случае, когда он сталкивается с серьезными финансовыми ограничениями или нуждается в быстром создании линий связи. Основанная на МКС телекоммуникационная инфраструктура может впоследствии использоваться в качестве резерва емкости сети при реализации крупного проекта с высокой пропускной способностью каналов связи.
Приведем пример решения задачи построения протяженной региональной транспортной сети.
Перед компанией-оператором связи стоит задача построения протяженной региональной транспортной сети. Общие капиталовложения составляют 20 миллионов долларов (протяженность 1000 км, стоимость кабеля вместе с аксессуарами и прокладкой 20 долл./ м). Воплощение идеи путем прокладки оптической магистрали в грунте не позволяет быстро запустить сеть. Допустимо следующее решение: на первом этапе примерено за 1 год "под ключ" строится МКС стоимостью 3 долл./м, которая обеспечивает требуемую связь. Затем в течение нескольких лет строится магистральная кабельная система, и сеть связи функционирует в полном объеме. В дальнейшем маловолоконная система может использоваться как резервная емкость, а также для обслуживания небольших городов и населенных пунктов на промежуточных участках линии связи.

надежность оптических кабелей

До начала строительства оптической линии связи телефонные компании или иные
телекоммуникационные операторы проводят тщательное предпроектное обследование. Существует большое число методик по тестированию и полевому испытанию кабельных систем. Оптические кабели должны обеспечивать заданное качество передачи информации при существующих условиях эксплуатации, и к ним предъявляются такие же общие требования, как и к традиционным электрическим кабелям связи.
Нормативы содержат требования по прокладке кабеля, требования по возможности сращивания и монтажа кабеля в полевых условиях за приемлемый интервал времени и требования по устойчивости кабеля к внешним воздействиям — механическим (изгибы, удары, растяжения) и климатическим (колебания температуры, формирование льда, ветровые нагрузки, влажность и проникновение воды, молнии) — в соответствии с условиями эксплуатации. Эти параметры лежат в основе разработки технических условий (ТУ) к оптическим кабелям, главная задача которых — обеспечить длительную (до 25 лет) эксплуатацию оптического кабеля при нормальных условиях.
Статистические исследования показывают, что повреждения оптического кабеля, изготовленного и проложенного в соответствии с ТУ, происходят главным образом вследствие нарушений условий эксплуатации. Оптические кабели, проложенные в грунте, чаще всего повреждаются в результате земельных работ, смещений земли, землетрясений или воровства (оптический кабель часто путают с медным). Воздушные кабели обрываются из-за падения опор, ошибочных действий крановщиков и т.д. Любые кабели могут быть разорваны злонамеренно в результате действий вандалов.
Во всех перечисленных случаях, когда на кабель оказывается сильное механическое воздействие, спасти его от повреждения не может даже повышенная надежность. О крупных авариях на ВОЛС мы периодически можем узнать из сводок новостей.
При построении МКС диаметр кабеля должен быть минимально возможным, при котором его надежность еще находится в соответствии с требованиями ТУ.
Преимущества малого диаметра прокладываемого кабеля очевидны - это снижение веса, уменьшение объема, меньшая стоимость материалов и работ. Чтобы добиться как можно меньшего диаметра кабеля, используются технологические "ноу-хау", подбираются специализированные материалы при изготовлении кабеля и покрытия, выбирается подходящая конструкция кабеля.

связь по ЛЭП. ВОЛС-ВЛ

Набольшее распространение получили следующие типы ОК, прокладываемые по воздушным опорам линий электропередачи (ВОЛС-ВЛ): оптические кабели, встроенные в грозозащитный трос (ОКГТ); оптические кабели самонесущие неметаллические (ОКСН), оптические кабели присоединенные.
Для всех перечисленных типов ОК фактор малого числа волокон проявляется наиболее ощутимо. Уменьшение веса и диаметра кабеля означает, снижение ветровых нагрузок на кабель, нагрузок со стороны кабеля на элементы крепления к опорам. Тонкий кабель меньше подвержен оледенению и привлекает к себе меньшее внимание.
Выбор того или иного метода прокладки, типа кабеля во многом зависит от параметров ЛЭП. Для ЛЭП 110 и 220 КВ приемлемы практически все методы прокладки. Для ЛЭП 500 КВ из-за большого расстояния между опорами не годится решения на основе ОКСН — кабель испытывает большие колебания провиса в средней точке между опорами при сезонных колебаниях температуры. Для низковольтных ЛЭП (6, 10, 35 КВ) не годится решение на основе ОКГТ — для этих ЛЭП наиболее предпочтительны решения на основе присоединенных ОК, рис.2.

Рис.2. Типы присоединенных маловолоконных ОК.

Технологию прикрепления лентой взяла на вооружение компания Siemens (Германия) и несколько американских компаний; технологию прикрепления прутком — компания Alcatel Cable (Франция, Германия); технологию навивки — компании BICC (Англия), Focas (Англия) (см. рис.3), Furukawa (Япония), российские компании.

Рис.3. Навивочная машинка укладывает кабель “Skywrap” компании FOCAS.

крышная МКС

Крышные маловолоконные кабельные системы могут использоваться в решениях “последней мили” при наличии плотной застройки зданиями. Кабель может быть как типа ОКСН, так и ОКСМ (ОК самонесущий металлический). При прокладке ОК, которая ведется под тяжением кабеля, можно использовать существующие стойки РТС. Прокладка ОК может происходить без схода на уровень земли.

технологии, популяризирующие МКС

Еще несколько лет назад МКС вряд ли были бы так привлекательны. Основными причинами роста их популярности стали современные технологические разработки в телекоммуникационной индустрии: мультисервисные сети и системы, пассивные оптические сети (Passive Optical Networks, PON), новые масштабы скоростей передачи данных в IP-сетях (выход решений на основе технологии Ethernet за пределы корпоративной сети), разработка технологии RPR, появление устройств волнового мультиплексирования WDM (wavelength division multiplexing) и плотного волнового мультиплексирования DWDM (Dense WDM). Все, перечисленные ниже технологии способствуют более эффективному использованию ресурса волокна.

cеть доступа на основе технологии Ethernet

Благодаря иерархии скоростей 1000/100/10 Гбит/c сеть доступа может иметь древовидную структур с коммутаторами Ethernet на узлах разветвления, причем скорость передачи по каналам увеличивается по мере приближения к центральному офису. Не за горами и стандарт 10-gigabit Ethernet, принятие которого запланировано на начало второго квартала 2002 г. На каждый канал требуется всего два волокна (рис. 4).

Рис.4. Электронно-оптический узел здания.

пассивная оптическая сеть PON

Мощным альтернативным решением двунаправленного канала доступа на основе Ethernet является PON. На этой новой технологии остановимся подробней. Суть технологии PON заключается в том, что между центральным узлом и удаленными абонентскими узлами создается сеть с пассивным оптическим распределением, имеющую топологию дерева. В промежуточных узлах дерева размещаются пассивные оптические разветвители (сплиттеры) — компактные устройства, не требующие питания и обслуживания. Абонентский узел рассчитан на обычный жилой дом или офисное здание и может охватывать сотни абонентов. До 32 абонентских узлов обслуживается по одному волокну, идущему из центрального офиса.
Нисходящий поток от центрального офиса к абонентам идет на длине волны 1550 нм и имеет скорость 622 Мбит/с (в сумме для всех абонентов). Восходящие потоки от абонентов идут на длине волны 1310 нм с использованием протокола множественного доступа с временным разделением (TDMA).
Для выработки стандарта PON был создан консорциум FSAN (Full Service Access Network). В него вошли крупнейшие мировые операторы связи и производители телекоммуникационного оборудования. В 1998 году ITU-T принял стандарт G.983. Одна из основных особенностей стандарта - возможность работы по одному или двум волокнам.

телевидение

Телевизионный сигнал от центрального офиса доходит по волокну до здания и после прохождения сплиттера попадает на домовой усилитель, обеспечивающий линейный прием RF сигнала c волокна и усиление в коаксиальный кабель в полосе порядка 1 ГГц. Таким образом, мы имеем дело с сетью HFC, в которой волокно доходит до здания, а в пределах здания разводка идет коаксиальным кабелем и витой парой — концепция волокно до дома (FTTB, fiber to the building), рис. 4. На каждом участке для организации такого телевещания требуется только одно волокно.
Интерактивность при просмотре ТВ программ может быть обеспечена либо посредством Ethernet, либо посредством PON.

RPR — динамическое пакетное кольцо

В 2002 году был одобрен стандарт динамического пакетного кольца RPR (resilient packet ring) основу которого составляет двухволоконное кольцо пропускной способности 10 Гбит/с. Главная задача рабочей группы — построение транспортной магистрали, способной очень быстро реконфигурироваться при повреждениях кабеля и отказе сетевого оборудования. Фирменная технология DPT компании Cisco Systems имеет много общего с этим стандартом.

кольцевая топология метро-DWDM

В настоящее время много компаний поставляют такие решения. Основу составляет двухволоконное кольцо с множеством оптических мультиплексоров ввода/вывода на узлах. Передача сигналов в волокнах идет навстречу друг другу. В нормальном режиме вся информация передается по одному волокну. Передача по резервному волокну активизируется при повреждении кабельной системы. Пример системы метро-DWDM: компания Ciena поставляет систему, рассчитанную на передачу до 24 каналов (длин волн), при максимальной скорости передачи на канал 10 Гбит/с. Допустимы самые разнообразные внешние физические интерфейсы: STM-64, STM-16, STM-4, STM-1, Rate Adaptive Gigabit Ethernet, Fibre Channel и ESCON.

везде ли эффективно использование МКС?

Рассказав о достоинствах, следует отметить и те случаи, когда решения на основе МКС будут менее эффективны. В первую очередь междугородние волоконно-оптические линии связи, при строительстве которых экономия на волокнах не оправдана, поскольку обычно кабель прокладывается в грунте, что и составляет основную долю общих затрат. Прокладка кабеля в грунте кардинально отличается от прокладки океанических трансконтинентальных кабелей. В таких линия промежуточные узлы — узлы регенерации или оптического усиления сигнала (на основе усилителей EDFA или рамановских усилителей) — легко досягаемы. Кроме того, часть волокон в магистральном кабеле может использоваться для сетей доступа в промежуточных населенных пунктах.
Во-вторых, нет смысла использовать МКС в магистральных волоконно-оптических транспортных системах крупных городов, где велика концентрация абонентов — потребителей услуг связи, а решения на основе колец метро-DWDM высоки по стоимости. Основные инвестиции при развертывании таких систем приходятся на:
• магистральное сетевое оборудование (например ATM/SDH/Gigabit Ethernet), которое должно быть надежным и иметь резервное питание по сетевым платам, платам управления;
• соответствующую инфраструктуру (оборудованные помещения, кондиционирование, источники бесперебойного питания и т.д.);
• пассивную кабельную систему (оптические кроссы и стойки, муфты, оптические кабели), включая прокладку ВОК, оборудование мониторинга волокон (тестеры рефлектометры, оптические переключатели и т.д.).
В таких системах стоимость кабеля составляет далеко не главную статью расходов. Даже если транспортная магистраль выполнена в виде кольца, и четыре волокна позволяют сделать полное резервирование (по типу 1+1) без потери полосы пропускания в случае выхода из строя отдельного активного узла или одиночного повреждения кабеля, дополнительные волокна (темные волокна) в магистральных кабелях бывают нужны для выполнения разводки "последней мили", рис. 5. Темные волокна магистральной системы могут использовать при строительстве дополнительного параллельного кольца SDH, если существующее кольцо SDH не способно справиться с нагрузкой.

Рис.5 Часть волокон магистрального ОК задействована под решения "последней мили". Абонентские сети доступа строятся на основе маловолоконных кабельных систем.

Темные волокна, позволяют строить наряду с существующим кольцом SDH параллельно второе, третье кольцо и т.д. Здесь правда следует отметить, что приведенное наслоение колец SDH, может быть оправдано только с экономической точки зрения, т.е. когда стартовые затраты альтернативного решения — построения кольца метро-DWDM, или кольца RPR (resilient packet ring, эластичное пакетное кольцо) — будут значительно больше.
В третьих, МКС не имеет смысла применять в решениях типа FTTH (fiber to the home, что можно перевести как "волокно до квартиры"). Если между центральным офисом и абонентом нет промежуточных активных устройств и пассивных разветвителей, то очевидно должны быть использованы ОК с большим числом волокон. Такие разработки стоят в планах телекоммуникационных сетей Японии. В то же время, операторы услуг связи в США считают их в масштабах страны слишком дорогими. В России и странах СНГ использование ОК с большим числом волокон для реализации подобных проектов для крупных городов представляется утопичным. Что говорить о региональных и областных сетях?

заключение

Очевидно, что внедрение МКС перспективно для целого ряда коммуникационных решений, как городского, так и междугороднего уровня. Использование маловолоконных оптических кабелей позволяет экономить значительные средства как при создании, так и в процессе дальнейшей поддержки сети связи, а также развертывать ее значительно быстрее. На сегодняшний день такие системы наиболее привлекательны для построения широкополосных сетей доступа. При этом существует целый ряд областей телекоммуникации (магистральные междугородние линии связи, городские магистрали), в которых пока применение МКС неоправдано. Но близок час технологий RPR и DWDM.

Евгений Борисович Гаскевич, Рустам Рахматович Убайдуллаев, Телеком Транспорт.



Сетевые решения. Статья была опубликована в номере 09 за 2003 год в рубрике технологии

©1999-2022 Сетевые решения