Волоконно-оптический кабель: характеристики, сфера применения, плюсы и минусы

Технология MIMO для оптического волокна

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: временно́го (TDM) и спектрального (WDM) уплотнения каналов.

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.

Метод TDM подразумевает передачу нескольких низкоскоростных сигналов в одном высокоскоростном

При помощи WDM можно разделить частотный спектр на несколько каналов (цветов) для одновременной передачи данных на разных частотах. Сигнал для каждого канала излучает отдельный лазер. Каждый канал передает на своей длине волны, и каждый лазер отвечает за свой цвет.

Более эффективный нежели TDM метод WDM разделяет полосу на цветовые каналы и передает по ним данные одновременно

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.

Успешно завершившиеся в прошлом году тестовые испытания отправки данных по оптоволокну на несколько сотен километров 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.

Использование более узких частотных каналов. На полевом испытании British Telecom в 2014 году удалось уменьшить интервалы между пиками до 35 ГГц, что позволило увеличить скорость.

Однако для реализации проекта 5G недостаточно обеспечить базовую сеть большей пропускной способностью. Нужно также оптимизировать доставку данных. За это распределение до сих пор отвечали пассивные оптические сети (Gigabit Passive Optical Network, GPON). Одна такая сеть распределяет входящие сигналы по принципу TDM и передает дальше на терминал.

Поскольку применяется только TDM, отдельным абонентским линиям нередко остается всего до 10 Гбит/с. Эту скорость можно в значительной степени повысить, дополнительно используя WDM, при помощи которого на линию можно передавать несколько параллельных цветовых каналов. В зависимости от устройства вывода, кроме того, можно определить, в каком частотном диапазоне находятся эти каналы. Чем выше частота, тем выше скорость и меньше дальность передачи данных.

Гигабитные пассивные оптические сети (GPON) пока что разделяют данные по времени (TDM). Планируется создать WDM-PON, которые будут предоставлять частоты с разной скоростью передачи данных.

Такую WDM-PON, интегрированную в LTE-сеть, в феврале протестировала компания Huawei. Она использовала 32 канала по 10 Гбит/с для передачи на конечное устройство

При объединении нескольких каналов скорость у конечных пользователей сразу увеличивалась в несколько раз — и это тоже важно. Иначе не избежать замедления 5G еще в базовой сети, и тогда быстрые беспроводные сети к 2020 году не появятся

Фото: Groman123/Flickr.com; Lund University (MIMO); Audi AG (Auto); David Öhmann/5G Lab Germany (taktiles Internet); Wikipedia/Srleffler/CC BY-SA 3.0 (Kabel o.); CREOL/UCF (Kabel u.)

Прокладка оптоволокна на местности

Многих людей, которые хотят оптический интернет, интересуют особенности прокладки оптоволокна. На самом деле это довольно сложная работа, которая должна выполняться профессионалами. Выделяют четыре основных способа прокладки оптического кабеля на местности.

В грунте

Это наиболее распространенный способ, которым часто пользуется Ростелеком и другие популярные провайдеры.

Прежде чем уложить кабель, необходимо разработать схему. В ней детально планируется, как и где будет пролегать провод. Для укладки в грунте используются кабели с прочной наружной оболочкой. Она обеспечит дополнительную защиту от повышенной влажности и грызунов.

Чтобы провод не повредился, его могут помещать в специальной пластиковой трубе.

Размещение на опорах — наиболее простой способ прокладки оптики

Подвешивание на опорах

Бывают случаи, когда не удается проводить волокно для интернета в грунте. В подобных ситуациях кабель вешают на дополнительные опоры. Чаще всего данный способ используется при подключении к сети Internet дач или частных домов.

Для подвешивания используются провода с вмонтированным тросом, который в разрезе представлен в виде восьмерки. Также конструкция оснащается упрочняющими нитями. Они нужны для предотвращения растягиваний и провисаний.

Прокладка в канализации

Это наиболее подходящий вариант подключения оптико-волоконного интернета в городской местности. Провайдеры часто используют готовые канализационные каналы для проведения сетевых проводов. Для протяжки применяется кабельная лебедка или пруток.

Внутри помещений

Иногда оптоволокно приходится проводить в зданиях. Для этого используются облегченные кабели с эластичной оболочкой. Они прокладываются в заранее сделанных каналах. Если их нет, можно протянуть провод под плинтусами.

Что было до волокна: DSL и кабель

Цифровая абонентская линия (DSL) использовала существующие телефонные линии для передачи данных, которые обычно делались из меди. DSL медленный, старый, и, по большей части, был вытеснен кабелем, но он всё ещё сохраняется в некоторых сельских районах. Средняя скорость для DSL составляет около 2 Мбит/с.

Кабельный интернет использует коаксиальный кабель, также изготовленный из меди, и, как правило, поставляется с в формате таких же кабелей, которые используются для управления телевизионной сетью. Вот почему многие интернет-провайдеры предлагают в комплекте планы с подпиской на телевидение и доступом в интернет. Средняя скорость для кабеля варьируется, но колеблется от 20 Мбит/с до 100 Мбит/с.

Структура оптического волокна

Оптическое волокно (оптоволокно) – это волновод с круглым поперечным сечением очень малого диаметра (сравним с толщиной человеческого волоса), по которому передается электромагнитное излучение оптического диапазона. Длины волн оптического излучения занимают область электромагнитного спектра от 100 нм до 1 мм, однако в ВОЛС обычно используется ближний инфракрасный (ИК) диапазон (760-1600 нм) и реже – видимый (380-760 нм). Оптическое волокно состоит из сердцевины (ядра) и оптической оболочки, изготовленных из материалов, прозрачных для оптического излучения (рис. 1).

Рис. 1. Конструкция оптического волокна

Свет распространяется по оптоволокну благодаря явлению полного внутреннего отражения. Показатель преломления сердцевины, обычно имеющий величину от 1,4 до 1,5, всегда немного больше, чем показатель преломления оптической оболочки (разница порядка 1%). Поэтому световые волны, распространяющиеся в сердцевине под углом, не превышающим некоторое критическое значение, претерпевают полное внутреннее отражение от оптической оболочки (рис. 2). Это следует из закона преломления Снеллиуса. Путем многократных переотражений от оболочки эти волны распространяются по оптическому волокну.

Рис. 2. Полное внутреннее отражение в оптическом волокне

На первых метрах оптической линии связи часть световых волн гасят друг друга вследствие явления интерференции. Световые волны, которые продолжают распространяться в оптоволокне на значительные расстояния, называются пространственными модами оптического излучения. Понятие моды описывается математически при помощи уравнений Максвелла для электромагнитных волн, однако в случае оптического излучения под модами удобно понимать траектории распространения разрешенных световых волн (обозначены черными линиями на рис. 2). Понятие моды является одним из основных в теории волоконно-оптической связи.

Особенности проектирования и монтажа волоконно-оптической связи

Проектирование волоконно-оптических линий связи является сложным и трудоемким процессом, который должен учитывать целый ряд особенностей, начиная от технической возможности проведения трассы и заканчивая количеством основного и вспомогательного оборудования, которое будет соединено в рамках сети.

Процесс проектирования и разработки линии связи можно разделить на несколько стадий:

• определение технической возможности установки;
• выбор типа кабеля и его длины;
• проведение технических расчетов на предмет выявления величины коэффициента затухания сигнала, и других важных показателей;
• выбор необходимой аппаратуры и вспомогательных средств для обеспечения бесперебойной работы сети и соответствия стандартам передачи информации;
• проектирование и прокладка трассы. Монтаж волоконно-оптических линий связи может производиться двумя способами – навесным (кабель прокладывается по воздуху на уже существующих либо новых технических опорах) или подземным (для этого необходимо проделать специальные земельные работы). Выбор способа прокладки трассы зависит от климатического пояса, атмосферных условий (степень промерзания почвы, солнечная или ветровая активность), рельефа местности и других факторов;
• подготовка необходимой технической документации с указанием количества точек подключения, различные разветвления и общая трассировка (так называемая скелетная схема);
• перечень конкретных технических и аппаратных средств, задействованных в создании работоспособной линии связи (стационарные терминалы, усилители, трансиверы, муфты ответвления и другое оборудование);
• согласование проекта с заказчиком и проведение монтажных работ.

Одна из главных особенностей установки заключается в том, что волоконно-оптический канал связи в рамках проекта может достигать нескольких десятков километров, тогда как стандартная длина провода существенно меньше. Это предусматривает наличие соединений в рамках одной линии связи между сегментами кабеля.

Соединить два сегмента провода можно несколькими способами:

• разъемное соединение (при помощи оптических коннекторов). У этого способа есть одно преимущество – работы происходят достаточно быстро и не требуют специального оборудования. Главный недостаток заключается в том, что это существенно удорожает стоимость линии связи и способствует увеличению потерь сигнала при использовании большого количества соединительных элементов;
• неразъемный способ. Здесь существует несколько вариантов, среди которых склеивание и сварка волоконно-оптических линий связи. Эти процессы довольно трудоемкие и требуют специального оборудования и практических навыков, но итогом является практически полное отсутствие потерь скорости передачи и монолитное соединение кабелей.

Волоконно-оптические линии связи, используемое оборудование для которых соответствует мировым стандартам, способны служить на протяжении полувека без видимой потери качества сигнала.

Оптоволоконный передатчик

В первоначальных ВОЛС использовались большие лазеры, сегодня можно использовать различные полупроводниковые устройства. Чаще всего используются светоизлучающие диоды, светодиоды и полупроводниковые лазерные диоды.

Самым простым передающим устройством является светодиод. Его главное преимущество заключается в дешевизне. Однако у них есть ряд недостатков. Во-первых, они имеют очень низкий уровень эффективности. Только около 1% мощности поступает в оптическое волокно, а это означает, что потребуются драйверы высокой мощности для обеспечения достаточного количества света для передачи на большие расстояния.

Второй недостаток светодиода в излучении некогерентного света широкого спектра 30–60 нм. Из-за этого дисперсия в волокне ограничивает предел пропускной способности волоконного световода.

Волоконные светодиоды используются для локальных сетей, где скорость передачи данных в диапазоне 10–100 Мбит/с, а расстояние передачи несколько километров.

Оптоволоконная связь на большие расстояния с более высокими скоростями передачи данных, потребует большей производительности источника света. В этих системах используют лазеры. Хотя они более дорогие, они обладают существенными преимуществами.

Во-первых, они могут обеспечить более высокий выходной уровень;

Во-вторых, световой поток является направленным, что обеспечивает гораздо более высокую эффективность передачи света в оптоволоконный кабель. Эффективность связи с одномодовым волокном может достигать 50%.

В-третьих, лазеры имеют очень узкую спектральную полосу пропускания, то есть они производят когерентный свет. Эта узкая спектральная ширина позволяет лазерам передавать данные с гораздо большей скоростью, поскольку модальная дисперсия менее заметна.

Для очень высоких скоростей передачи данных или очень больших расстояний более эффективно использовать лазер с постоянным уровнем выходной мощности (непрерывной волной). Затем свет модулируется с помощью внешнего устройства. Использования внешних средств модуляции увеличивает максимальное расстояние между линиями связи, поскольку устраняется эффект, известный как лазерный «чирп». Этот эффект расширяет спектр светового сигнала и увеличивает хроматическую дисперсию в оптоволоконном кабеле.

Оптоволоконная связь и оптический кабель

По сути, оптоволоконный кабель состоит из сердечника, вокруг которого находится еще один слой, называемый оболочкой. Снаружи есть защитное внешнее покрытие.

Оптические кабели работают, потому что их оболочка имеет намного меньший показатель преломления, чем у сердечника. Это означает, что свет, проходящий по сердцевине, подвергается полному внутреннему отражению, когда достигает границы сердцевина-оболочка. То есть отражаясь свет движется внутри сердцевины оптического волокна.

Усилители (репитеры)

Есть ограничения в расстояние передачи сигналов по оптоволоконным кабелям. Это ограничивается связаны с затуханием сигнала и искажением светового сигнала вдоль кабеля. Чтобы преодолеть эти эффекты и передавать сигналы на большие расстояния (например, между городами), используются повторители и усилители сигналов.

Часто используют фотоэлектрические повторители. Эти устройства преобразуют оптический сигнал в электрический формат, где его можно обработать, чтобы сигнал не искажался, а затем преобразовать обратно в оптический формат.

Альтернативный подход — использовать оптический усилитель (эрбиевые 1,55мкм, иттербиевые 1 мкм, тулиевые 2 и 1,47 мкм). Эти усилители напрямую усиливают оптический сигнал без необходимости преобразовывать сигнал обратно в электрический формат.

Ввиду гораздо более низкой стоимости ВОУ по сравнению с повторителями, они используются гораздо чаще.

Оптоволоконная связь и приемники

Свет, распространяющийся по оптоволоконному кабелю, необходимо преобразовать в электрический сигнал, чтобы его можно было обработать и извлечь передаваемые данные. Компонент, который лежит в основе приемника, — это детектор (фотодетектор).

Обычно это полупроводниковое устройство с pn-переходом, штыревым фотодиодом или лавинным фотодиодом. Фототранзисторы не используются, потому что они не имеют достаточного быстродействия.

После того как оптический сигнал от оптоволоконного кабеля был подан на детектор и преобразован в электрический формат, он может быть обработан для восстановления данных, которые затем могут быть переданы в конечный пункт назначения.

Коротко о технологии FTTH

Оптоволоконные роутеры не нуждаются в промежуточном оборудовании для подключения к интернету. Оптоволокно заводится в квартиру и подсоединяется напрямую к маршрутизатору. Такая технология называется FTTH.

Оптический роутер, он же FTTH-роутер выглядит и работает как Ethernet-маршрутизатор. Устройство может подключаться к интернету привычным способом, по медному кабелю. Только WAN-порт у него комбинированный, называется SFP-разъём и предназначен для подключения как витой пары, так и оптоволоконного кабеля. 

В остальном всё устроено точно так же: после первичной настройки роутер получает интернет от провайдера и раздаёт его на устройства в квартире.

Самый крупный провайдер, предоставляющий подключение этой технологии, — «Ростелеком».

Силовое оборудование

Оптическое волокно используется не только для передачи информации от одних промышленных установок к другим. Оптоволоконные интерфейсы часто применяются внутри оборудования для связи между его частями. В качестве примера можно привести управление IGBT транзисторами, служащими в качестве электронных ключей в инверторах, импульсных источниках питания и других силовых приборах. Оптоволокно обеспечивает надежную гальваническую развязку между низковольтным микроконтроллером, формирующим управляющие сигналы, и затвором силового транзистора.

Другим устройством силовой электроники, в котором используется оптическое волокно, является статический компенсатор реактивной мощности (SVC – Static VAR Compensator), применяемый в высоковольтных системах для уменьшения нагрузки на распределительную сеть, улучшения качества подаваемой электроэнергии и снижения расходов. Основными элементами SVC являются конденсаторы с тиристорным переключением (TSC – Thyristor-Switched Capacitors) и реакторы с тиристорным управлением (TCR – Thyristor-Controlled Reactor), переключение которых приводит к возникновению сильных электромагнитных полей. Поэтому для передачи управляющих сигналов и сигналов обратной связи в SVC применяется оптическое волокно, невосприимчивое к помехам и обеспечивающую гальваническую развязку.

Оптический кабель для прокладки в грунт

Самый суровый вариант прокладки кабеля — непосредственно в грунт без какой-либо дополнительной защиты (рис 4). Оптические кабели в своей конструкции имеют броню в виде стальной оцинкованной или канатной проволоки, одного либо двух повивов, в зависимости от требуемых характеристик. Обеспечивается защита как от поперечного сдавливания, так и от растягивающих нагрузок.

Рис. 4 ОК для прокладки в грунт (проволочная броня)

Когда необходим кабель с похожими характеристиками, но при этом полностью диэлектрический, то в конструкции вместо проволоки используется броня из стеклопластиковых прутков (рис. 5).

Рис. 5 ОК для прокладки в грунт (диэлектрический)

Выбор WiFi роутера для оптоволокна

При выборе следует смотреть на характеристики, описывающие возможности локальной сети. Если существует возможность, то можно юзать не только беспроводную сеть вайфай, но и порты локальной сети LAN. Согласно практическим исследованиям люди часто отказываются использовать дополнительное провода витой пары в свои квартиры.

Следовательно, нужно рассмотреть стандарты, позволяющие передавать данные по беспроводному подключению:

• 802.11n — наибольшая скорость на частоте 2.4 ГГц от 300 до 450 Мбит/с;
• 802.11ac — самая большая скорость в своей частоте (до 2,5 Гбит/секунду).

Если скорость интернета от провайдера не более 100 Мбит/с, то брать двухдиапазонное устройство, но, возможно, это и имеет смысл, когда семья большая, а в доме много устройств по типу видеонаблюдения, телевизора и ноутбуков.

Нет смысла и использовать роутер с входом под оптоволокно, когда скорость равна 100 Мбит/с. Даже если подключение медленнее, оно может вырасти, а устройство не будет пропускать больше, чем заложено в его способности.

Наиболее предпочтительным для покупки будет следующий рейтинг хороших образцов:

• DIR-615/FB. Дешевый аппарат для оптоволоконных целей, который может позволить себе каждый. Работает на стандарте 802.11n и имеет привлекательный внешний вид. Средняя стоимость его находится в районе 2400 рублей;
• DVG-N5402GF. Модель от D-link, имеющая ЮСБ порт для подключения внешних устройств, а также высокую пропускную способность до — до 1 Гбит/с. Частота такая же — 2.4 ГГц. Цена соответствующая — приблизительно 8500 рублей;
• ZTE F660. Чутьли не самый бюджетный вариант, который можно урвать в китайском интернет магазине за 20 долларов. Его внутренние порты могут пропускать 1 Гбит/с и работать на стандартах 802.11b/g/n. Оптика характеризуется 2.488 Гбит/с;
• TX-VG1530. Производитель TP-link, а это говорит окачестве. Скорость приема составляет до 2.5 Гбит/с, а отдачи — 1.2 Гбит/с. Есть поддержка телефонии VoIP. Средняя цена — 4500 рублей.*

Одномодовый оптический кабель: конструкция и применение

Одномодовый оптический кабель представляет собой наиболее совершенный волоконно-оптический проводник. Конструкция одномода предполагает прохождение только одной определенной волны, что, в свою очередь, обеспечивает отсутствие нежелательных явлений в виде межмодовой дисперсии и снижения качества сигнала на выходе. Как итог, отсутствие явления дисперсии делает одномодовые оптические кабели наиболее производительными. Режим передачи данных в формате прохождения единовременно только одной волны позволяет передавать сигнал на многокилометровые расстояния, сохраняя первоначальное качество.

Однако, на сегодняшний день электроника для передачи данных посредством подобного кабеля значительно дороже оборудования для многомодовых систем. Соответственно основным недостатком одномодового типа волокна является именно высокая стоимость приёмников-преобразователей.

Используют же данный тип кабеля в сложных телекоммуникационных системах, а для локальных компьютерных сетей более подходящим и рентабельным считается применение многомодового кабеля.

Показатели скорости прохода данных по медной витой паре

Медная витая пара делиться на несколько категорий по прописной способности и маркируется буквами CAT, согласно международной системе классификации.  Медная витая пара может делиться на классы. А-высший класс (чистая медь, диаметр жилы выше стандарта категории, В-высокий (вторичная медь или медь с примесями других металлов, диаметр жилы равный свой категории), С-средний класс или CCA- Cooper Clad Aluminum, (жилы из алюминия, плакированного медью. Плакирование — это процесс соединения двух и более металлов термомеханическим и химическим способом, напыления или протягивания. D-низкий обмедненный кабель с заниженным показателем сличения жилы. Недавно были добавлены ещё несколько классов кабеля «E, «EA»,»F»,»FA». Кабель данных классов имеет высокую пропускную способность и степень защиты кабеля от внешних электромагнитных помех.

CAT1 полоса пропуска сигнала — 100 кГц. Состоит из оной витой пары применяется для передачи, голосовых сообщений по телефонной или проводной модемной связи. Скорость передачи данных до 0.5 Мбит/с.

CAT2 полоса пропуска сигнала — 1000 кГц. Состоит из двух витых пар, поменяется с телефонии, домофонии старшего поколения. Скорость передачи данных до 4Мбит/с.

CAT3 полоса пропуска сигнала — 16 МГц., и класс кабеля «С». Состоит из двух витых или 4 пар обмедненного кабеля. Используется для снижения затрат при прокладке сетей не требовательных к передаче данных, обладает поддержкой стандарта связи IEEE 802.3. Скорость передачи данных по двум витым парам 10Мбит/с. до 100 Мбит/с по четырем, до 50 метров.

CAT4 полоса пропуска сигнала — 20 МГц. Состоит из четырех витых пар медного кабеля категории В. обмедненного кабеля. Обладает поддержкой стандарта связи IEEE 802.3.  Использовался в сетях token ring, 10BASE-T, 100BASE-T4. Скорость передачи данных до 16Мбит/ по одной пате.

CAT5 полоса пропуска сигнала — 100 МГц. Состоит из четырех витых пар медного кабеля категории «D».  Используется для снижения затрат при прокладке локальных сетей не требовательных к передаче данных. Скорость передачи данных по двум витым парам 100 Мбит/с. до 1Гбит/с по четырем, до 50 метров.

CAT5e полоса пропуска сигнала — 125 МГц. Это усовершенствованный аналог, витой пары пятой категории. Скорость передачи данных по двум витым парам 100 Мбит/с. до 1Гбит/с по четырем, до 100 метров.

CAT6 полоса пропуска сигнала — 250 МГц класс «E». Состоит из четырех витых пар медного кабеля используется в сетях Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. Скорость передачи данных до 10Гбит/с, на расстояние, не превышающее 55 метров.

CAT6a полоса пропуска сигнала -500 МГц. Класс «EA». Состоит из четырех витых пар медного кабеля используется в сетях Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. Скорость передачи данных до 10Гбит/с, на расстояние, не превышающее 100 метров.

CAT7 полоса пропуска сигнала 600 — 700 МГц. Класс «F Состоит из четырех витых пар медного кабеля используется в сетях Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. Скорость передачи данных до 10Гбит/с, на расстояние, не превышающее 100 метров

CAT7a полоса пропуска сигнала 1000 -1200 МГц. Класс «FA»). Скорость передачи данных до 40Гбит/с, на расстояние, до 50 метров и до 100 Гбит/с дистанцию до 15 метров.

CAT8 8 (8.1, 8.2) полоса пропуска сигнала 1600 -2000 МГц. Класс «FA» Скорость передачи данных до 40Гбит/с, на расстояние, до 100 метров и до 100 Гбит/с дистанцию до 55 метров. Достигает увеличение сечения жилы от Ø 7.7 — 8.5 mm

Дополнительную информацию читайте в разделе проводная компьютерная сеть