5.2.4Спутниковые радиоволны

Выбор частоты для передачи данных от земной станции к спутнику и от спутника к земной станции не является произвольным. От частоты зависит, например, поглощение радиоволн в атмосфере, а также необходимые размеры передающей и приемной антенн. Частоты, на которых происходит передача от земной станции к спутнику, отличаются от частот, используемых для передачи от спутника к земной станции (как правило, первые выше).

Вторым аспектом является значительно большее расстояние от передатчика до приемника – порядка 38 000 км. В частности это сказывается на размерах приемной антенны, качестве (стоимости) оборудования, задержке распространения сигнала (последнее – актуально для телефонии, видеоконференцсвязи).

5.2.5Радио-релейные линии

Под радиорелейной связью понимают радиосвязь, основанную на ретрансляции радиосигналов станциями, расположенными на удалении прямой видимости. Помимо построения магистральных транспортных каналов, нашли применение и в сотовой связи - при объединение базовых станций посредством радиоканалов (как альтернатива кабельному соединению).

5.2.6Волоконно-оптические линии связи

Хотя оптическая связь существует уже многие годы, только в последние несколько лет волоконно-оптические кабель стал получать широкое распространение, как среда для передачи данных. На сегодняшний день в кабельной индустрии существует относительно немного основных разновидностей оптоволокна. Две главные категории с различным принципом действия - это многомодовое и одномодовое волокно. Среди многомодового волокна различают кабель со ступенчатым и градиентным индексом преломления. Дальнейшее разделение волокна касается его физического размера, оптических качеств, покрытия и прочности. Все оптичеcкие волокна содержат некоторое число нижеперечисленных слоев:

сердечник, который несет в себе большую часть света;

оболочка, преломляющая свет и ограничивающая его в сердечнике;

покрытие первичного буфера, обеспечивающее первый уровень механической защиты;

покрытие вторичного буфера, которое защищает относительно хрупкое первичное покрытие и само волокно.

Рис. 1. Физический состав оптоволокна.

1 - сердечник;

2 - отражающая оболочка;

3- покрытие первичного буфера;

4 - покрытие вторичного буфера 900µ.

Важнейший из компонентов ВОЛС - оптическое волокно. Для передачи сигналов применяются два вида волокна: одномодовое и многомодовое. Свое название волокна получили от способа распространения излучения в них. Волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления n1 и n2. 

Одномодовое волокно

Рис. 2. Одномодовое волокно.

Для одномодового волокна диаметр сердечника составляет 8-10 мкм, что гораздо ближе к обычно используемой длине волны 1300 нм. При такой геометрии в волокне может распространяться только один луч (одна мода). Это позволяет передовать свет одной нулевой модой и полностью устранить эффект модовой дисперсии. Однако эффект дисперсии присутствует, она носит название частотной и связана с тем, что свет с разной длиной волн (разного цвета) распространяется в волокне с различной скоростью. Таким образом, пропускная способность такого кабеля хотя и увеличивается, но остается ограниченной ~ 100ГГц и в достаточно сильной степени зависит от спектральной чистоты источника света. Хотя такое волокно и позволяет передовать данные на гораздо большие расстояния - десятки километров, одномодовые системы достаточно дороги, потому что в качестве источника света в них используют сравнительно дорогие лазеры с очень узким спектральным составом излучаемого света. Наиболее популярный тип одномодового волокна обычно обозначается как SM 8/125. SМ означает SingleMode или одномодовое, диаметр сердечника такого волокна 8 микрон, а диаметр оболочки 125 микрон.

Многомодовое волокно

Рис. 3. Многомодовое волокно.

В случае многомодового волокна диаметр сердечника по сравнению с длиной световой волны относительно большой. Диаметр сердечника от 50 микрон до 1000 в сравнении с длиной волны света 1300 нм. Это означает, что свет может распространяться в волокне в различных направлениях или модах - отсюда и название многомодовое волокно. Простейший и достаточно старый тип - это волокно с шаговым индексом. Коэффициент преломления - возможность материала отражать свет - в нем постоянен по всему сечению сердечника. Это приводит к тому что лучи света распространяются в нем так как показано на рисунке:

Рис. 4. Многомодовое волокно со ступенчатым коэффициентом.

1 - входной импульс;

2 - дисперсия;

3 - выходной импульс;

4 - коэффициент преломления;

5 - мода высокого порядка;

6 - мода низкого порядка.

В многомодовом волокне лучи света, соответствующие различным модам, проходят различные дистанции. Если в такое волокно ввести короткий импульс света, то его лучи прибудут на противоположный конец через различные промежутки времени, и выходной импульс будет шире, чем входной. Это явление называют модовая дисперсия. Она ограничивает число импульсов в секунду, которые могут быть переданы через волокно и все еще распознающихся на противоположном конце, как отдельные импульсы. По этой причине пропускная способность волокна с шаговым индексом невелика и составляет 20 -30 МГц для кабеля длиной 1 км.

Рис. 5. Многомодовое волокно с градиентным коэффициентом.

1 - входной импульс

2 - дисперсия

3- выходной импульс

4 - коэффициент преломления

Для многомодового волокна с последовательным индексом коэффициент преломления плавно (последовательно) изменяется от максимума в самом центре до минимума по краям. Такая конструкция использует тот факт, что свет распространяется быстрее в материалах с низким коэффициентом преломления чем в материалах с высоким. Поэтому световой импульс, распространяясь в таком волокне, имеет гораздо меньшую модовую дисперсию, а кабель за счет этого гораздо большую пропускную способность от 100 МГц до 1300 МГц для кабеля длиной один километр. Наиболее популярный тип многомодового волокна, используемого в локальных компьютерных сетях обычно обозначается как MM 62.5/125. ММ означает MultiMode или многомодовое, диаметр сердечника такого волокна 62.5 микрона, а диаметр оболочки 125 микрон.

2.4. Параметры оптического волокна

Оба типа волокна характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией.

Рис. 6. Зависимость затухания от длины волны.

Затухание обычно измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне. Потери на поглощение зависят от чистоты материала, потери на рассеяние зависят от неоднородностей показателя преломления материала. Затухание зависит от длины волны излучения, вводимого в волокно. В настоящее время передачу сигналов по волокну осуществляют в трех диапазонах: 0.85 мкм, 1.3 мкм, 1.55 мкм, так как именно в этих диапазонах кварц имеет повышенную прозрачность.

Другой важнейший параметр оптического волокна - дисперсия. Дисперсия - это рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала. Существуют три типа дисперсии:

• модовая дисперсия присуща многомодовому волокну и обусловлена наличием большого числа мод, время распространения которых различно;

• материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны;

• волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны.

Поскольку светодиод или лазер излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространению по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. При оценке пользуются термином "полоса пропускания" - это величина, обратная к величине уширения импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км. Измеряется полоса пропускания в МГц*км. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничение на дальность передачи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов.

Если при распространении света по многомодовому волокну как правило преобладает модовая дисперсия, то одномодовому волокну присущи только два последних типа дисперсии. На длине волны 1.3 мкм материальная и волноводная дисперсии в одномодовом волокне компенсируют друг друга, что обеспечивает наивысшую пропускную способность.

Затухание и дисперсия у разных типов оптических волокон различны. Одномодовые волокна обладают лучшими характеристиками по затуханию и по полосе пропускания, так как в них распространяется только один луч. Однако, одномодовые источники излучения в несколько раз дороже многомодовых. В одномодовое волокно труднее ввести излучение из-за малых размеров световодной жилы, по этой же причине одномодовые волокна сложно сращивать с малыми потерями. Оконцевание одномодовых кабелей оптическими разъемами также обходится дороже.

Многомодовые волокна более удобны при монтаже, так как в них размер световодной жилы в несколько раз больше, чем в одномодовых волокнах. Многомодовый кабель проще оконцевать оптическими разъемами с малыми потерями (до 0.3 dB) в стыке. На многомодовое волокно расчитаны излучатели на длину волны 0.85 мкм - самые доступные и дешевые излучатели, выпускаемые в очень широком ассортименте. Но затухание на этой длине волны у многомодовых волокон находится в пределах 3-4 dB/км и не может быть существенно улучшено. Полоса пропускания у многомодовых волокон достигает 800 МГц*км, что приемлемо для локальных сетей связи, но не достаточно для магистральных линий.

На базе оптоволокна строятся волоконно-оптические линия связи (ВОЛС).

Преимущества ВОЛС:

1. Широкая полоса пропускания (основное преимущество) - обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей 10¹⁴ Гц, что соответствует потенциальной скорости передачи по одному оптическому волокну в несколько Терабит в секунду.

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 100 и более км.

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 (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.

7. Гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве. Волокно помогает избежать электрических "зе­мельных" петель, которые могут возникать, когда два сетевых устройства неизолированной вычислительной сети, связанные медным кабелем, имеют заземления в разных точках здания, например, на разных этажах. При этом может возникнуть большая разность потенциалов, что способно повредить сетевое оборудование. Для волокна этой проблемы просто нет.

8. Взрыво- и пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волок­но повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.

9. Экономичность ВОК. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет дву­окись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от ме­ди.

10. Длительность срока эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию - затухание в проложенном кабеле постепенно возрастает. Однако, благодаря со­вершенству современных технологий производства оптических волокон, этот процесс значительно замедлен, и срок службы ВОК составляет примерно 25 лет.

Недостатки ВОЛС:

Волоконно-оптические линии имеют также и недостатки, главным образом из-за дороговизны прецизионного монтажного оборудования и надежности лазерных источников излучения. Стоимость работ по монтажу, тестированию и поддержке волоконно-оптических линий связи остается высокой: если поврежда­ется ВОК, то необходимо осуществлять сварку волокон в месте разрыва и защитить этот участок кабеля от воздействия внешней среды.

В некоторых случаях требуется удаленное электропитание узла информационной сети. Оптическое волокно не способно выполнять функции силового кабеля. Однако, в этих случаях можно использовать смешанный кабель, когда наряду с опти­ческими волокнами кабель оснащается медным проводящим элементом.

Преимущества от применения ВОЛС настолько значитель­ны, что дальнейшие перспекти­вы развития технологии ВОЛС в информационных сетях более чем очевидны.