На сегодняшний день перспективы использования ВОЛС становятся все экономичнее и эффективнее, в то время как возможности медных кабельных линий приближаются к своим предельным значениям, и требуются все большие затраты на дальнейшее развитие этого направления. Пропускные способности оптических каналов на порядки выше, чем у информационных линий на основе медного кабеля. Кроме того, волоконно-оптические линии связи невосприимчивы к электромагнитным полям, что снимает большинство проблем, связанных с помехозащищенностью медных систем связи.
Стремительное внедрение в информационные сети ВОЛС является следствием преимуществ, вытекающих из особенностей распространения сигнала в оптическом волокне.
- 1. Широкая полоса пропускания — обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей (10 14 Гц). Это дает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит в секунду. Большая полоса пропускания — это одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна перед медной или любой другой средой передачи информации.
- 2. Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 км и более.
- 3. Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания путем передачи различной модуляции сигналов с малой избыточностью кода.
- 4. Высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки и т. д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям.
- 5. Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели (ВОК) имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность. Например, 900-парный телефонный кабель диаметром 7,5 см может быть заменен одним волокном диаметром 0,1 см. Если волокно «одеть» в множество защитных оболочек и покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого ВОК будет 1,5 см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля.
- 6. Высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи. Системы мониторинга (непрерывного контроля) целостности оптической линии связи, используя свойства высокой чувствительности волокна, могут мгновенно отключить «взламываемый» канал связи и подать сигнал тревоги. Сенсорные системы, использующие интерференционные эффекты распространяемых световых сигналов (как по разным волокнам, так и разной поляризации), имеют очень высокую чувствительность к колебаниям, к небольшим перепадам давления. Такие системы особенно необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных.
Как ранее отмечено, волоконно-оптическая связь находит всё более широкое применение во всех областях — от компьютеров и бортовых космических, самолётных и корабельных систем до систем передачи информации на большие расстояния, например в настоящее время успешно используется волоконно-оптическая линия связи Западная Европа — Япония, большая часть которой проходит по территории России. Кроме того, увеличивается суммарная протяжённость подводных волоконно-оптических линий связи между континентами.
История волоконно-оптических линий связи
ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО, ФАКТЫ ПРО ОПТОВОЛОКОННЫЙ КАБЕЛЬ СВЯЗИ, от которых вы обоссытесь
Волокно в каждый дом (англ. Fiber to the premises — FTTP или Fiber to the home — FTTH) — термин, используемый телекоммуникационными провайдерами для обозначения широкополосных телекоммуникационных систем, базирующихся на проведении волоконного канала и его завершении на территории конечного пользователя путём установки терминального оптического оборудования для предоставления комплекса телекоммуникационных услуг, включающего: высокоскоростной доступ в Интернет; услуги телефонной связи; услуги телевизионного приёма.
Убедительным примером перспективности использования оптического диапазона электромагнитных волн в области телекоммуникаций является широкое внедрение в нашей стране волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) и радиорелейных линий (РРЛ).
Например, «Компания ТрансТелеКом» (ТТК), основанная в 1997 г., акционируемая ЗАО ОАО «РЖД», эксплуатирует и обслуживает волоконно-оптическую сеть связи (одну из крупнейших в России) протяженностью более 53 000 км и пропускной способностью до 200 Гбит/с. Сеть проложена вдоль железных дорог страны, имеет более 1000 узлов доступа во всех регионах России и соединяет Европу и Азию. Созданные в крупнейших городах России 17 региональных предприятий предоставляют услуги ТТК на всей территории страны. ТТК входит в пятерку ведущих альтернативных операторов фиксированной связи и обеспечивает 33 % российского рынка аренды междугородных каналов, 27 % магистрального Интернета и 31 % корпоративных IP-сетей. В числе клиентов ТТК — МЧС, МВД, региональные таможенные управления, РАН, Роскосмос, ОКБ Сухой, КнААПО, Сбербанк, Альфа-Банк, Банк Русский Стандарт, Ингосстрах, Урал-Сиб, Норильский Никель, СУАЛ, ПГ МАИР, ЕвразРуда, Еврохим, Вымпелком, Мегафон, МТС, ВГТРК.
ТТК активно работает на международном рынке, осуществляя широкомасштабные проекты с помощью своих региональных структур — ЗАО «Сахалин-ТрансТелеКом» (ТТК-Сахалин), созданного в мае 2001 года, и ЗАО «Байкал-ТрансТелеКом» (ТТК-Байкал), основанного в 2000 г. Так, предприятием ТТК Сахалин в январе 2008 года завершено строительство ВОЛС в рамках проекта «Россия (Невельск) — Япония (Исикари)» протя женностью 570 км. Впервые в истории Сахалин и Япония соединены волоконно-оптической линией связи. Ёмкость подводной кабельной системы 640 Гбит/с. Подводный участок сети ВОЛС «Невельск — Исикари» является частью телекоммуникационного маршрута «Eurasia Highway», играющего роль альтернативной магистрали для доставки данных из Европы в Азию, и обеспечивает Сахалинскую область полным комплексом современных информационных технологий и услуг. Трансконтинентальный маршрут EurasiaHighway является оптимальным телекоммуникационным маршрутом между европейскими и азиатскими странами. Общая протяженность региональных ВОЛС составляет 948 км на направлениях Корсаков — Южно-Сахалинск — Долинек — Взморье — Томари — Холмск -Невельск — Тымовское — Ноглики.
Следует отметить, что ВОЛС при всех своих преимуществах перед РРЛ имеют и ряд недостатков: они подвержены авариям природного характера, которые происходят в основном в зимнее время и связаны с промерзанием оборудования или грунта, что влечет за собой внутренние повреждения волокон или выход из строя линейной аппаратуры ВОЛС. Кроме того, при земляных, строительных и других работах в районе кабельной трассы случаются аварии техногенного характера, приводящие к повреждению кабелей.
Так, оптико-волоконный подводный кабель вышеупомянутой ВОЛС «Невельск — Исикари», проложенный по дну Татарского пролива и сданный в эксплуатацию 13 сентября 2007 года, уже 26 октября 2007 года был разорван рыболовецким судном, которое зацепило его траловыми сетями. Кабель проложен от Советской Гавани (Хабаровский край) до Ильинского (Сахалинская область, Томаринский район), его общая протяженность 214 км (рис.
7.22). Восстановление ВОЛС заняло почти полгода. Сейчас за охранными зонами кабеля в автоматическом режиме осуществляется контроль с наземных, спутниковых и авиационных систем. Помощь в охране кабеля оказывают пограничники и Тихоокеанский флот.
Кроме того, на Дальнем Востоке в 2011 г. по заказу «Дальсвязи» реализован крупный инвестпроект Ростелекома по прокладке резервного оптико-волоконного кабеля на Сахалин протяженностью более 580 км. ВОЛС проходит по территории Хабаровского края от поселка Селихино (в 2009 г. «Дальсвязь» на данном направлении построила кабель Комсомольск — Советская Гавань) до мыса Лазарева.
Морской участок трассы проходит по дну пролива Невельского до мыса Погиби на Сахалине, а затем соединяется с действующей на острове внутризоновой оптико-воло-конной линией. Вторая ВОЛС повысила надежность телекоммуникационной системы. После создания еще одной линии на Сахалин операторские компании подписали договор о взаимном резервировании. В 2016 году пропускная способность сети связи объединенного «Ростелекома» превысила более 6 Тб/с.
Рис. 7.22. Подводный кабель «материк — Сахалин» протяженностью 214 км
В то же время «ТТК-Байкал» осуществляет свою деятельность на территории трех субъектов Федерации: Иркутской области, Республики Бурятия и части Забайкальского края. Его ВОЛС магистральной цифровой сети связи проходят через все экономически развитые населенные пункты региона: Тайшет, Иркутск, Братск, Усть-Кут, Северобайкальск, Улан-Удэ, Наушки со стыковкой на ст. Сухэ-Батор (Монголия) с сетью Улан-Баторской железной дороги. Общая протяженность этой сети составляет 3 612 км. Примечательным является то, что все эти ВОЛС создавались на основе технологии DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), т. e. плотного спектрального уплотнения, которая позволяет увеличить пропускную способность каналов в сотни раз по сравнению с обычными волоконно-оптическими технологиями. Подобно тому, как видимый человеческим глазом свет состоит из различных цветов, на которые можно его разложить, а затем опять собрать, так и передаваемый по технологии
DWDM световой поток состоит из различных длин волн (X) (рис. 7.23), т. е. по одному волокну можно передавать более сотни стандартных каналов.
Рис. 7.23. Передача сигнала в оптоволоконном кабеле по технологии DWDM
Так, аппаратура, используемая при построении DWDM-сети Компании ТрансТелеКом, в максимальной конфигурации позволяет задействовать до 160 длин волн. Это 40 Гигабит информации в секунду, а при необходимости скорость может быть увеличена до 640 Гбит/с. Сигнал от Лондона до Токио будет идти не больше 200 мс [38].
Далее, крупнейший оператор связи «Сибирьтелеком», вошедший позже (1 апреля 2011 года) в состав Ростелекома, 19 февраля 2009 года завершил широкомасштабный инвестиционный проект — строительство крупнейшей мультисервисной оптоволоконной сети Сибири, объединившей 11 регионов Сибирского федерального округа от Омска до Читы (Алтайский, Бурятский, Горно-Алтайский, Иркутский, Кемеровский, Красноярский, Новосибирский, Омский, Томский, Хакасский и Забайкальский). Эта сеть входит в тройку лидеров по стране по своей протяженности — свыше 6,5 тыс. км. Строительство сети велось в течение 4 лет с 2005 г. совместно с генеральным подрядчиком ОАО «Трест «Связьстрой 6». Общие инвестиционные затраты составили более 2 млрд руб. Это один из сложнейших проектов с точки зрения технических, человеческих ресурсов, а также сроков реализации.
ОАО «Ростелеком» (www.rt.ru) — национальная телекоммуникационная компания России, является крупнейшей российской компанией отрасли. В своем нынешнем виде существует с апреля 2011 года, когда кроме «Сибирьтелекома» к ней присоединились межрегиональные компании связи ОАО «ЦентрТелеком», ОАО «Северо-Западный Телеком», ОАО «Южная телекоммуникационная компания», ОАО «ВолгаТелеком», ОАО «Уралсвязьинформ», ОАО «Дальсвязь» и ОАО «Дагсвязьинформ».
Тем не менее ВОЛС крайне нуждается в резервировании на базе РРЛ: подвешенный на опорах контактной сети вдоль железных дорог волоконно-оптический кабель магистральной сети «Компании ТрансТелеКом» не защищен от случайных или преднамеренных повреждений, а большинство действующих сегодня на железных дорогах РРЛ работают на устаревшем оборудовании и не способны обеспечить надежное резервирование ВОЛС.
Комментируя ситуацию, эксперты НПФ «Микран» указывают: «Широкое распространение ВОЛС породило у крупных операторов убеждение, что оптика позволяет решать любые задачи в любых условиях, и к РРЛ прибегают обычно в тех случаях, когда стоимость прокладки кабеля очень высока и его большую емкость негде использовать (это оправданно для северных и малонаселенных районов). Но при этом не учитывается, что при повреждении любого кабеля, в том числе и оптического, возникнут очень большие неприятности, если не предусмотреть надежное резервирование. А РРЛ на базе современного оборудования как раз и являются одним из возможных элементов резервирования ВОЛС». В частности, экспертами определено место РРЛ в «тройственном союзе» волоконно-оптических, радиорелейных и систем беспроводного доступа как промежуточное.
Кроме того, обладая достоинствами беспроводных технологий, но имея значительно большую полосу пропускания и большую дальность связи, РРЛ являются практически безальтернативным решением в условиях сложного рельефа или плотной застройки [39].
Особенности ВОЛС по линиям электропередачи
Удобным и удачным направлением использования ВОЛС для телекоммуникационных потребностей энергетиков является монтаж и эксплуатация ВОЛС на высоковольтных линиях (ВЛ) электропередачи (ЛЭП). Для этого используются оптоволоконные кабели ВОЛС-ВЛ, специально разработанные для ВОЛС по ЛЭП. В мировой практике различают 6 типов кабелей, применяемых на ЛЭП: 1) ОКГТ (OPGW) — ОК в грозозащитном тросе; 2) ОКФП (ОРРС) — ОК в фазном проводе; 3) ОКН(ГТ) (Wrap GW) -ОК навивной на грозотрос; 4) ОКН(ФП) (Wrap PC) — ОК навивной на фазный провод; 5) ОКП (Externally attached) — ОК присоединенный; 6) ОКСН (ADSS) — ОК самонесущий.
Для устройства оптико-волоконных линий связи на линиях электропередачи (ВОЛС-ВЛ) наиболее часто применяется кабель типа ОКГТ (встроенный в грозотрос), в этом случае ОК выполняет две функции: грозозащиты ЛЭП и телекоммуникации. При использовании ВОЛС-ВЛ исключаются излучения в окружающую среду, а также любые другие виды загрязнения окружающей среды. Отсутствует также дополнительное использование природных ресурсов, кроме земельных участков и воздушного пространства, уже занятых ЛЭП (рис. 7.24).
Рис. 7.24. Технология использования ВОЛС на ЛЭП
Особенности подводных ВОЛС
Если прокладка кабеля по суше не вызывает значительных затруднений (кабели можно зарывать в траншеи, вести на линиях опор и др.), то прокладка кабеля на морском, а особенно на океанском дне приводит к многократному возрастанию проблем и, как следствие, стоимости всего проекта. Огромные глубины (более 8000 м), высочайшее давление, малая доступность, сложный подводный рельеф и иные причины налагают особые требования на конструкцию кабеля, оптических усилителей, соединительных муфт, разветвителей и телекоммуникационного оборудования. Также для укладки кабеля необходимо строительство специального ко-рабля-кабелеукладчика, применение глубоководного оборудования, аппаратов для зарывания кабеля в грунт и других специальных агрегатов.
В инженерно-техническом плане прокладка подводной линии связи является очень сложным и дорогостоящим мероприятием (стоимость проекта может превосходить 100 млн долл.). Однако благодаря значительной скорости передачи данных, высокой помехозащищенности, широкой полосе пропускания, низкому уровню шумов, экономичности, высокой защищённости от несанкционированного доступа и другим достоинствам все затраты окупаются.
Кабели для линий подводной оптоволоконной связи
Подводные волоконно-оптические кабели предназначаются для передачи оптических сигналов на значительные расстояния и осуществления связи через большие водные преграды. Они должны обладать высокой механической прочностью на разрыв и иметь надежные влагостойкие покрытия. Для подводной связи также важно, чтобы кабель обладал малыми значениями затухания оптических сигналов, низкой дисперсией, большой информационно-пропускной способностью. При проработке маршрута прокладки подводного кабеля необходимо принимать во внимание различные внешние воздействия, которые могут привести к преждевременному выходу кабеля из строя. Из числа основных факторов следует выделить: 1) рыбную ловлю; 2) повреждения, наносимые якорями кораблей; 3) повреждения от воздействия жителей морской фауны; 4) дноуглубительные работы, установку труб и бурение; 5) геологическую активность (подводные землетрясения, оползни); 6) воздействия со стороны кораблей-кабелеукладчиков.
Статистика показывает, что более 75 % повреждений подводных кабелей (в том числе и оптоволоконных) приходится на воздействие со стороны человека. При разработке маршрута прокладки кабеля необходимо свести до минимума риски, связанные с геологической активностью. Однако для уменьшения количества повреждений, связанных с воздействием человека, и повышения резистивной способности применяют специально разработанные защищённые кабели (бронированные кабели). Защита кабелей обычно применяется в областях высокого риска повреждения кабеля. Также используется зарывание кабеля в специальные траншеи глубиной 0,6-2 м (в зависимости от типа грунта), которые выкапывает кабеле-укладчик при укладке кабеля на дне (в отдельных случаях глубина траншеи для укладки кабеля может достигать 3 м).
Конструкция оптических кабелей для подводной линии связи
Оптоволоконные кабели для подводных линий связи, как правило, состоят из оптического сердечника, токоведущей жилы и внешних защитных покровов (рис. 7.25). В трубчатом сердечнике располагаются оптические волокна (от 4 до 12 штук), которые должны соответствовать рекомендациям G.665 МСЭ-Т и категории В4 МЭК 60793-2-50. Внешние покровы предназначены для защиты кабеля от внешних воздействий, а токоведущая жила необходима для обеспечения питания постоянным током подводных усилителей.
Рис. 7.25. Пример подводного оптоволоконного кабеля
Существует несколько видов конструктивной защиты подводного кабеля от внешних воздействий, в соответствии с этим промышленностью предлагаются кабели различных типов (табл. 7.5).
Источник: bstudy.net
Оптоволоконная связь
Оптоволоконная связь — связь, построенная на базе оптоволоконных кабелей. Широко применяется также сокращение ВОЛС (волоконно-оптическая линия связи). Используется в различных сферах человеческой деятельности, начиная от вычислительных систем и заканчивая структурами для связи на больших расстояниях. Является сегодня наиболее популярным и эффективным методом для обеспечения телекоммуникационных услуг.
Состоит оптоволокно из центрального проводника света (сердцевины) — стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла – оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. В оптоволокне световой луч обычно формируется полупроводниковым или диодным лазером. В зависимости от распределения показателя преломления и от величины диаметра сердечника оптоволокно подразделяется на одномодовое и многомодовое.
Рынок оптоволоконной продукции в России
К началу 2009 года семейство технологий подключения с помощью оптоволокна заработало себе достаточно неплохую репутацию жизнеспособного, масштабируемого варианта прокладки кабельного широкополосного доступа к глобальной сети. Несмотря на мировой экономический кризис, операторы, по всей видимости, будут продолжать вкладывать средства в оптоволокно.
Основная статья: Оптоволоконная продукция (рынок России).
История
Японские ученые установили мировой рекорд скорости передачи данных
В японском Национальном институте информационных и телекоммуникационных технологий (NICT) установили мировой рекорд скорости передачи данных. Об этом стало известно 2 июня 2022 года.
Специалистам удалось передать данные на 51,7 км со скоростью 1,02 Пбит/с.
Скорость в 1 Пбит/с дает возможность транслировать 10 млн видеоканалов в секунду с разрешением 8К. Данный рекорд в 100 000 раз быстрее максимальной на июня 2022 года скорости домашнего интернета.
Проект был реализован с использованием волоконно-оптических кабелей, совместимых с существующей инфраструктурой. Применялись три диапазона: традиционные С и L, а также экспериментальный S. Благодаря технологии спектрального уплотнения каналов пропускная способность выросла до 20 ТГц.
Предыдущий рекорд для четырехжильного волокна составил 610 Тбит/с, а скорость выше 1 Пбит/с достигалась лишь по 15-жильному кабелю [1] .
Специалисты МТУСИ разработали подход к созданию многоканальных линий оптоволоконной связи
Собственный подход к созданию многоканальных линий оптоволоконной связи разработали специалисты МТУСИ, о чем стало известно 29 июня 2022 года. Ожидается, что методика позволит снизить стоимость услуг связи и обеспечит пропускную способность кабеля на пару волокон от 100 Терабит в секунду до 10 Петабит в секунду. Подробнее здесь.
2021: Установлен новый рекорд по скорости передачи данных — 319 Тбит/с
В середине июня 2021 года, появилась новая технология, разработанная инженерами японского Национального института информационных и коммуникационных технологий (NICT), при которой фильм скачивается за 28-ю долю секунды. Это новый рекорд скорости передачи данных.
По оптическому кабелю длиной более 3000 км команда достигла скорости передачи данных в 319 терабит в секунду (далее Тбит/с). Это не только побило предыдущий рекорд в 178 Тбит/с, но и еще совместимо с существующей инфраструктурой, что означает, что ее можно относительно легко модернизировать уже в ближайшие годы.
Новый рекорд был установлен группой ученых и инженеров под руководством физика Бенджамина Путтнема из японского Национального института информационных и коммуникационных технологий (NICT) и основывается на результатах предыдущей работы, в которой участвовал институт, — достижении скорости 172 Тбит/с, о котором было объявлено в прошлом году.
В этом достижении использовалось соединенное трехжильное оптическое волокно — технология, при которой данные передаются по 3 оптоволоконным трубкам, а не по 1, как это принято в настоящее время, это необходимо для того, чтобы уменьшить искажение сигнала на больших расстояниях. Скорость в 319 Тбит/с, использовала аналогичную технологию, но с 4 ядрами.
Данные передаются с помощью технологии, называемой мультиплексированием с разделением по длине волны. Она передается с помощью лазера, который разделяет сигнал на 552 канала и передает его по 4 жилам оптического волокна.
Через 70-км. интервалы вдоль волокна усилители повышают силу сигнала, чтобы потери при передаче на большие расстояния были, как можно меньше. Эти усилители представляют собой два новых типа, легированные редкоземельными элементами тулием и эрбием.
В целом, средняя скорость передачи данных на канал составила около 145 гигабит в секунду (далее Гб/сек), для каждого ядра и около 580 Гб/сек, для всех 4 ядер вместе взятых. Рекордная скорость в 319 Тбит/с, была достигнута при максимальных 552 волновых каналах.
Оболочка для четырех сердцевин оптического волокна вместе имеет тот же диаметр, что и стандартное одножильное оптическое волокно, что «является привлекательным для раннего внедрения SDM-волокон в высокопроизводительных и междугородных линиях связи, поскольку данная технология совместима с традиционной кабельной инфраструктурой и ожидается, что механическая надежность будет сопоставима с одномодовыми волокнами», — отметили сами исследователи из института.
Сам доклад группы был представлен на Международной конференции по оптико-волоконным коммуникациям в июне 2021 года, но команда планирует продолжить работу над своей системой передачи данных на большие расстояния, чтобы попытаться увеличить как пропускную способность, так и дальность ее передачи. [2] [3]
2020: В ИТМО модернизировали оптоволокно и оптимизировали эффективность передачи данных
22 октября 2020 года стало известно о том, что специалисты Университета ИТМО модернизировали оптоволокно и оптимизировали эффективность передачи данных. С помощью технологии захвата света удалось избавиться от «слепых зон», которые возникали при больших углах падения. «Прокаченное» оптоволокно можно использовать для улучшения изображения эндоскопии и лапароскопии, квантовых технологий и оптоволоконных датчиков. Концепция предложенной учеными разработки в 2020 году попала на обложку октябрьского номера журнала ACS Photonics. Подробнее здесь.
1970: Изобретение оптоволокна
Изобретение в 1970 году специалистами компании Corning оптоволокна, позволившего без ретрансляторов продублировать на то же расстояние систему передачи данных телефонного сигнала по медному проводу, принято считать переломным моментом в истории развития оптоволоконных технологий. Разработчикам удалось создать проводник, который способен сохранять не менее одного процента мощности оптического сигнала на расстоянии одного километра. По нынешним меркам это достаточно скромное достижение, а тогда, без малого 40 лет назад, — необходимое условие для того, чтобы развивать новый вид проводной связи.
Первоначально оптоволокно было многофазным, то есть могло передавать сразу сотни световых фаз. Причём повышенный диаметр сердцевины волокна позволял использовать недорогие оптические передатчики и коннекторы. Значительно позже стали применять волокно большей производительности, по которому можно было транслировать в оптической среде лишь одну фазу. С внедрением однофазного волокна целостность сигнала могла сохраняться на большем расстоянии, что способствовало передаче немалых объёмов информации.
Самым востребованным сегодня является однофазное волокно с нулевым смещением длины волны. Начиная с 1983 года оно занимает ведущее положение среди продуктов оптоволоконной индустрии, доказав свою работоспособность на десятках миллионов километров.
1920-1956: Возможность передачи изображения через оптические трубки
В 20-х годах прошлого столетия экспериментаторами Кларенсом Хаснеллом (Clarence Hasnell) и Джоном Бердом (John Berd) была продемонстрирована возможность передачи изображения через оптические трубки. Этот принцип использовался Генрихом Ламмом (Heinrich Lamm) для медицинского обследования пациентов.
Только в 1952 году индийский физик Нариндер Сингх Капани (Narinder Singh Kapany) провел серию собственных экспериментов, которые и привели к изобретению оптоволокна. Фактически им был создан тот самый жгут из стеклянных нитей, причем оболочка и сердцевина были сделаны из волокон с разными показателями преломления.
Оболочка фактически служила зеркалом, а сердцевина была более прозрачной – так удалось решить проблему быстрого рассеивания. Если ранее луч не доходил да конца оптической нити, и невозможно было использовать такое средство передачи на длительных расстояниях, то теперь проблема была решена. Нариндер Капани к 1956 году усовершенствовал технологию. Связка гибких стеклянных прутов передавала изображение практически без потерь и искажений.
1840: Эксперимент с переменой направления светового пучка путем преломления
Волоконная оптика хоть и является повсеместно используемым и популярным средством обеспечения связи, сама технология проста и разработана достаточно давно. Эксперимент с переменой направления светового пучка путем преломления был продемонстрирован Даниелем Колладоном (Daniel Colladon) и Жаком Бабинеттом (Jacques Babinet) еще в 1840 году. Спустя несколько лет Джон Тиндалл (John Tyndall) использовал этот эксперимент на своих публичных лекциях в Лондоне, и уже в 1870 году выпустил труд, посвященный природе света. Практическое применение технологии нашлось лишь в ХХ веке.
Преимущества оптоволоконного типа связи
- Широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой частотой несущей. Это означает, что по оптоволоконной линии можно передавать информацию со скоростью порядка 1 Тбит/с;
- Очень малое затухание светового сигнала в волокне, что позволяет строить волоконно-оптические линии связи длиной до 100 км и более без регенерации сигналов;
- Устойчивость к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем, электрического оборудования (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.) и погодных условий;
- Защита от несанкционированного доступа. Информацию, передающуюся по волоконно-оптическим линиям связи, практически нельзя перехватить неразрушающим кабель способом;
- Электробезопасность. Являясь, по сути, диэлектриком, оптическое волокно повышает взрыво- и пожаробезопасность сети, что особенно актуально на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска;
- Долговечность ВОЛС — срок службы волоконно-оптических линий связи составляет не менее 25 лет.
Недостатки оптоволоконного типа связи
- Относительно высокая стоимость активных элементов линии, преобразующих электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы;
- Относительно высокая стоимость сварки оптического волокна. Для этого требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование. Как следствие, при обрыве оптического кабеля затраты на восстановление ВОЛС выше, чем при работе с медными кабелями.
Элементы волоконно-оптической линии
- Оптический приёмник
Оптические приёмники обнаруживают сигналы, передаваемые по волоконно-оптическому кабелю и преобразовывают его в электрические сигналы, которые затем усиливают и далее восстанавливают их форму, а также синхросигналы. В зависимости от скорости передачи и системной специфики устройства, поток данных может быть преобразован из последовательного вида в параллельный.
Оптический передатчик в волоконно-оптической системе преобразовывает электрическую последовательность данных, поставляемых компонентами системы, в оптический поток данных. Передатчик состоит из параллельно-последовательного преобразователя с синтезатором синхроимпульсов (который зависит от системной установки и скорости передачи информации в битах), драйвера и источника оптического сигнала. Для оптических систем передачи могут быть использованы различные оптические источники. Например, светоизлучающие диоды часто используются в дешёвых локальных сетях для связи на малое расстояние. Однако, широкая спектральная полоса пропускания и невозможность работы в длинах волны второй и третьей оптических окон, не позволяет использовать светодиод в системах телесвязи.
Усилитель преобразовывает асимметричный ток от фотодиодного датчика в асимметричное напряжение, которое усиливается и преобразуется в дифференциальный сигнал.
- Микросхема cинхронизации и восстановления данных
Эта микросхема должна восстанавливать синхросигналы от полученного потока данных и их тактирование. Схема фазовой автоподстройки частоты, необходимая для восстановления синхроимпульсов, также полностью интегрирована в микросхему синхронизации и не требует внешних контрольных синхроимпульсов.
- Блок преобразования последовательного кода в параллельный
- Параллельно-последовательный преобразователь
Основной его задачей является подача тока смещения и модулирующего тока для прямого модулирования лазерного диода.
- Оптический кабель, состоящий из оптических волокон, находящихся под общей защитной оболочкой.
Одномодовое волокно
При достаточно малом диаметре волокна и соответствующей длине волны через световод будет распространяться единственный луч. Вообще сам факт подбора диаметра сердечника под одномодовый режим распространения сигнала говорит о частности каждого отдельного варианта конструкции световода.
То есть под одномодовостью следует понимать характеристики волокна относительно конкретной частоты используемой волны. Распространение лишь одного луча позволяет избавиться от межмодовой дисперсии, в связи с чем одномодовые световоды на порядки производительнее. На данный момент применяется сердечник с внешним диаметром около 8 мкм. Как и в случае с многомодовыми световодами, используется и ступенчатая, и градиентная плотность распределения материала.
Второй вариант более производительный. Одномодовая технология более тонкая, дорогая и применяется в настоящее время в телекоммуникациях. Оптическое волокно используется в волоконно-оптических линиях связи, которые превосходят электронные средства связи тем, что позволяют без потерь с высокой скоростью транслировать цифровые данные на огромные расстояния.
Оптоволоконные линии могут как образовывать новую сеть, так и служить для объединения уже существующих сетей — участков магистралей оптических волокон, объединенных физически на уровне световода, либо логически — на уровне протоколов передачи данных. Скорость передачи данных по ВОЛС может измеряться сотнями гигабит в секунду. Уже сейчас дорабатывается стандарт, позволяющий передавать данные со скоростью 100 Гбит/c, а стандарт 10 Гбит Ethernet используется в современных телекоммуникационных структурах уже несколько лет.
Многомодовое волокно
В многомодовом ОВ может распространяться одновременно большое число мод – лучей, введенных в световод под разными углами. Многомодовое ОВ обладает относительно большим диаметром сердцевины (стандартные значения 50 и 62,5 мкм) и, соответственно, большой числовой апертурой. Больший диаметр сердцевины многомодового волокна упрощает ввод оптического излучения в волокно, а более мягкие требования к допустимым отклонениям для многомодового волокна позволяют уменьшить стоимость оптических приемо-передатчиков. Таким образом, многомодовое волокно преобладает в локальных и домашних сетях небольшой протяженности.
Основным недостатком многомодового ОВ является наличие межмодовой дисперсии, возникающей из-за того, что разные моды проделывают в волокне разный оптический путь. Для уменьшения влияния этого явления было разработано многомодовое волокно с градиентным показателем преломления, благодаря чему моды в волокне распространяются по параболическим траекториям, и разность их оптических путей, а, следовательно, и межмодовая дисперсия существенно меньше. Однако насколько не были бы сбалансированы градиентные многомодовые волокна, их пропускная способность не сравнится с одномодовыми технологиями.
Волоконно-оптические приёмопередатчики
Чтобы передать данные через оптические каналы, сигналы должны быть преобразованы из электрического вида в оптический, переданы по линии связи и затем в приёмнике преобразованы обратно в электрический вид. Эти преобразования происходят в устройстве приёмопередатчика, который содержит электронные блоки наряду с оптическими компонентами.
Широко используемый в технике передач мультиплексор с разделением времени позволяет увеличить скорость передачи до 10 Гб/сек. Современные быстродействующие волоконно-оптические системы предлагают следующие стандарты скорости передач.
| OC 1 | — | 51,84 Мб/сек |
| OC 3 | STM 1 | 155,52 Мб/сек |
| OC 12 | STM 4 | 622,08 Мб/сек |
| OC 48 | STM 16 | 2,4883 Гб/сек |
| OC 192 | STM 64 | 9,9533 Гб/сек |
Новые методы мультиплексного разделения длины волны или спектральное уплотнение дают возможность увеличить плотность передачи данных. Для этого многочисленные мультиплексные потоки информации посылаются по одному оптоволоконному каналу с использованием передачи каждого потока на разных длинах волны. Электронные компоненты в WDM-приемнике и передатчике отличаются по сравнению с теми, которые используются в системе с временным разделением.
Применение линий оптоволоконной связи
Оптоволокно активно применяется для построения городских, региональных и федеральных сетей связи, а также для устройства соединительных линий между городскими АТС. Это связано с быстротой, надёжностью и высокой пропускной способностью волоконных сетей. Также посредством применения оптоволоконных каналов существуют кабельное телевидение, удалённое видеонаблюдение, видеоконференции и видеотрансляции, телеметрические и другие информационные системы. В перспективе в оптоволоконных сетях предполагается использовать преобразование речевых сигналов в оптические.
Источник: www.tadviser.ru
Строительство оптических линий связи что это
Строительство волоконно-оптических линий связи методом замены грозозащитного троса ЛЭП и частный случай их применения в релейной защите
Михайленко Ярослав Витальевич,
аспирант Сибирского федерального университета,
директор по развитию ООО «НэтТелеКом», г. Красноярск,
Бойко Александр Сергеевич,
инженер ООО «Экра-Сибирь», г. Красноярск.
К началу 90-х годов отраслевые информационные сети были аналоговыми и предназначались в основном для передачи телефонных и факсимильных сообщений, поэтому для внедрения их в комплексные информационные системы связи и управления потребовалась их серьезная модернизация.
Сейчас модернизация отраслевых сетей электроэнергетики (ранее входивших в состав гиганта российской энергетической промышленности — РАО «ЕЭС России») находится на начальной стадии, но, несмотря на это, темпы модернизации достаточно высоки. В отличие от сетей Газпрома (в большей степени опирающихся на технологии спутниковой связи) основой этих сетей являются протянутые вдоль линий электропередач (ЛЭП) или железнодорожных путей волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). За последние годы различными подрядными организациями было проложено несколько тысяч километров оптоволоконного кабеля, находящегося внутри грозозащитного троса ЛЭП. Как правило, заказчиками являются как сами компании электроэнергетической отрасли (сетевые и генерирующие), так и крупные операторы междугородней и сотовой связи, такие как ОАО «Ростелеком», ОАО «МегаФон», ОАО «Мобильные ТелеСистемы», ГК «Синтерра» (формально уже вошедшая в состав ОАО «МегаФон») и другие. За право прохода по ЛЭП компании – заказчики предоставляют собственникам линии свободные «неосветленные» волокна
в пользование, кроме этого, в ходе строительства ВОЛС производится замена старого и, как правило, уже ветхого грозозащитного троса линий электропередачи, что, в свою очередь, повышает надежность электроснабжения.
Основным преимуществом ВОЛС проходящей в грозозащитном тросе ЛЭП, по сравнению с ВОЛС проложенной в земле и ВОЛС построенной с использованием самонесущего оптического кабеля, является высокая надежность линии связи, а значит и низкая аварийность – в среднем не более одного аварийного случая в год.
При нормальных условиях (температура воздуха не ниже -15 ⁰ C ) рабочая бригада прокладывает до 5 км оптоволоконного кабеля в день. Средняя стоимость прокладки волоконного кабеля составляет около 3000 рублей за метр, включая стоимость самого кабеля и сопутствующих материалов. Как правило, используется волоконно-оптический кабель с одномодовым или многомодовым волокном, встроенный в грозозащитный трос с оптическим модулем в повиве. Структура такого грозозащитного троса показана на рисунке 1.
вышка газель аренда
Мягкая битумная кровля Шинглас: цены, цвета. Купить с установкой и без
Рис. 1. Структура грозозащитного троса с волоконно-оптическим кабелем.
Такой грозозащитный трос предназначен для подвешивания на опорах воздушных линий электропередач напряжением от 35 кВ и выше. Оптический модуль представляет собой герметичную трубку, изготовленную из нержавеющей стали, внутри которой расположены оптические волокна. Свободное пространство в трубке заполнено специальным гидрофобным гелем. Наружный диаметр волоконно-оптического кабеля, его расчетный вес и физико-механические параметры определяются в соответствии с требованиями заказчика на основании технических условий их монтажа и эксплуатации.
Как правило, волоконно-оптический кабель содержит в себе от 16 до 52 волокон (максимум возможно изготовить кабель с количеством до 144 волокон). Как показала практика, чаще всего, заказчик выбирает кабель с числом волокон 24 и 32. При осуществлении первых проектов по прокладке ВОЛС по ЛЭП, использовался кабель зарубежных производителей, таких как Norddeutsche Seekabelwerke
— выполнение общестроительных, монтажных, измерительных работ;
— пуско-наладочные работы, приемосдаточные испытания и сдача в эксплуатацию заказчику.
В 2006 году проект получил дальнейшее расширение – началась прокладка ВОЛС на ЛЭП на участках «Барабинск-Таврическая» (217 км) и «Москва — Ростов на Дону – Самара – Челябинск» (7580 км), а в 2008 были проведены строительно-монтажные и пусконаладочные работы по укладке ВОЛС на участке «Москва – Тамбов — Самара».
С 2007 года ведутся работы по строительству ВОЛС «Московское кольцо», которая будет объединять четыре подстанции напряжением 500 кВ — «Западная», «Бескудниково», «Очаково» и «Чагино», а в конце 2009 года оператор связи ГК «Синтерра» объявила о заключении партнерского соглашения с компанией «ЕЭСТелеком» (ОАО «Московский Узел Связи Энергетики»), дочерней компанией ФСК ЕЭС, по строительству магистральной линии связи Владивосток – Хабаровск. Согласно заключенному договору, «Синтерра» стала соинвестором «ЕЭСТелекома» в проекте по созданию ВОЛС по маршруту Владивосток – Хабаровск. Общая протяженность магистрали, которая будет проходить через 21 населенный пункт региона, превысит 1000 км. Планируется, что линия будет введена в эксплуатацию в 2011 г.
Названные планы строительства ВОЛС с использованием инфраструктуры энергетики не единственные. «Синтерра» также рассматривает возможность строительства ВОЛС в Читинской области и республике Бурятия, до границы с Монголией, ОАО «МегаФон» начало строительство магистральной линии Красноярск – Иркутск. Аналогичные, как уже реализованные (такие, как ВОЛС в Алтайском крае и Кемеровской области), так и прорабатываемые на предмет реализации проекты есть и у ОАО «МТС» (Мобильные ТелеСистемы), которое, к примеру, рассматривает возможность строительства зоновой линии Красноярск – Лесосибирск – Енисейск и др.
Таким образом, энергетические компании рассматривают сотрудничество с операторами связи по строительству ВОЛС на ВЛ как уже успешно зарекомендовавшую себя практику. Это сотрудничество позволяет энергетикам активно развивать собственную технологическую связь, эффективно используя средства.
Немаловажной является возможность применения волоконно-оптических линий связи ЛЭП в релейной защите, а именно в продольных дифференциальных защитах линий.
Принцип действия продольной дифференциальной защиты кабельной или воздушной линий электропередачи основан на сравнении фазы и величины токов по концам защищаемой линии. При реализации такой защиты в традиционном исполнении обмен выполнялся при помощи аналоговых сигналов малой мощности (50 Гц или тональной частоты) При использовании современных терминалов релейной защиты обычно реализуется обмен данными представленными в двоичном коде.
При реализации дифференциальной защиты на традиционной элементной базе средой передачи данных являются металлические контрольные провода. Волоконно-оптические кабели стали активно применяться только в течение последних нескольких лет, в таких проектах, однако, система защиты должна быть реализована на базе микропроцессорных терминалов защит. Используемые соединения типа «точка-точка», применяемые при использовании устройств защиты, выполненных на традиционной элементной базе, активно заменяются цифровыми линиями передачи данных, которые являются частью отраслевых информационных сетей.
Рис. 4. Географическая карта проектов строительства ВОЛС на ЛЭП.
Традиционные каналы связи, используемые в продольных дифференциальных защитах линий, подвергаются влиянию электромагнитных помех. Влияние оказывают токи и напряжения промышленной частоты при коротких замыканиях на землю, а также импульсные помехи при коммутациях силового оборудования и при ударах молнии. Применение ВОЛС, встроенной в грозотрос, позволяет избежать всех этих проблем.
Упрощенная структурная схема применения волоконно-оптической линии связи в продольных дифференциальных защитах линий показана на рисунке 5 .
Рис. 5. Применение ВОЛС в продольных дифференциальных защитах линий.
Как было сказано ранее, чаще всего волоконно-оптические кабели связи используются в мультиплексном режиме, обеспечивая передачу данных различного назначения. Поэтому терминалы защит на подстанциях по обоим концам линии подключаются к волоконно-оптической линии связи через мультиплексоры. Подключение к мультиплексорам как правило осуществляется по стандарту G.703 (описывающему электрические характеристики стыков цифровых интерфейсов передачи голоса или данных через цифровые каналы типа E1).
В некоторых случаях для целей защиты выделяются отдельные волокна, и в использовании мультиплексоров нет необходимости, в таком случае устройство защит должно иметь свои собственные оптические приемопередатчики.
Отметим ряд преимуществ использования волоконно-оптических линий связи в продольных дифференциальных защитах линий:
— налаженный канал связи между двумя терминалами защит можно использовать для нужд телемеханики (например, для передачи команд телеотключений), а также для мониторинга электрических параметров и состояний коммутационных аппаратов подстанции на другом конце линии. Появляется возможность организовать оперативную блокировку линейных разъединителей с заземляющими ножами на подстанции с противоположенного конца линии;
— возможность использования такого типа защит на любых по длине линиях электропередачи;
— возможность организации работы защит по двум взаиморезервирующим друг друга волоконно-оптическим линиям связи.
Что касается опыта внедрения продольных дифференциальных защит линии с применением ВОЛС, можно, в качестве примера, отметить ввод в опытную эксплуатацию в сентябре 2007 года двух полукомплектов защит типа БЭ2704 091 (производства ООО «НПП ЭКРА», г. Чебоксары) на линии электропередачи 110 кВ «Тольяттинская ТЭЦ – ПС Левобережная», длинной 10 км, с двумя отпайками. Использована выделенная волоконно-оптическая линия связи. Два аналогичных полукомплекта продольной дифференциальной защиты линии введены в эксплуатацию в Казанских электрических сетях на ВЛ 110 кВ «ПС Центральная – ПС Магистральная» в декабре 2007 года. На этих объектах за все время эксплуатации указанных защит было зафиксировано около 30 внешних коротких замыканий и одно повреждение на стороне низкого напряжения отпайки, во всех случаях защита работала правильно, что позволяет сделать вывод о положительном опыте применения волоконно-оптических линий связи с устройствами релейной защиты линии.
Таким образом, исходя из практики использования и опыта эксплуатации, можно сделать вывод об определенном удобстве и надежности применения ВОЛС, построенных с использованием инфраструктуры электроэнергетики, не только для решения коммерческих «телекоммуникационных» задач, таких как передача голоса, данных, видео, но и для успешного применения в области технологической связи, телемеханики и РЗА.
Поступила в редакцию 13.09.2010 г.
2006-2019 http://jurnal.org/articles/2010/enerj1.html» target=»_blank»]jurnal.org[/mask_link]