3.2.1. Медные кабели в сети доступа

3.2.2. Волоконно-оптические кабели в сети доступа

3.2.3. Средства и методы передачи сигналов в проводных электрических и оптических линиях

3.2.4. Технологии xDSL

3.2.5. Технологии оптической передачи

Системы проводного доступа с точки зрения физической среды реализуются медными и оптическими кабелями отдельно и совместно (гибрид). Этот раздел содержит информацию по характеристикам и применению различных кабелей в CД.

3.2.1. Медные кабели в сети доступа

Подробные сведения по применению медных кабелей в сети доступа приведены в [8,9,15]. В этом разделе будет уделено внимание как общим вопросам использования медных кабелей в CД так и обращено внимание на ряд специфических особенностей, связанных со структурированными кабельными системами и кабельным телевидением. Разновидности медных кабелей для CД представлены графически на рисунке 3.7.

Рисунок 3.7. Разновидности медных кабелей для сетей доступа

Низкочастотные телефонные кабели выпускаются и применяются на сетях для передачи речевых сообщений и для работы аппаратуры цифровой передачи с низкими скоростями. Кабели имеют различные конструкции изоляции, оболочки, способы скрутки, емкость, диаметр жил. Так городские кабели с медными жилами в свинцовой оболочке, изготавливаемые по ГОСТ 20802-75, отличаются тремя признаками: диаметром токопроводящих жил, количеством пар, типом защитных покровов. Подробные конструкции этих кабелей рассмотрены в [8]. У этих кабелей токопроводящие жилы изготавливаются из медной проволоки диаметром 0.4, 0.5, 0.7, мм. Жилы изолируются сплошным слоем бумажной массы или телефонной бумаги, положенной по спирали с перекрытием. Это воздушно бумажная изоляция

По типу защитных покровов различают четыре типа кабелей:

ТГ - в свинцовой оболочке для прокладки в кабельной канализации, по стенам зданий, для подвески;
ТБ – в свинцовой оболочке, с плоской стальной броней и защитным наружным слоем для прокладки в грунт;
ТБГ – в свинцовой оболочке, с плоской стальной броней, с противокоррозионной защитой для прокладки в помещениях, в коллекторах и тоннелях;
ТК – в свинцовой оболочке, с броней из круглых стальных, оцинкованных проволок с защитным наружным покрытием для прокладки под водой, в грунтах, для вертикальной прокладки. Число пар в кабелях может колебаться от 10 до 1600. Изолированные жилы скручиваются в пары с шагом не более 250 мм. При группировании пар используются повивная и пучковая скрутка. Кабели нуждаются в содержании под избыточным воздушным давлением.

Телефонные кабели с полиэтиленовой изоляцией жил в пластиковой оболочке до 1.07.2000г. изготовлялись по ГОСТ 22498-77 и предназначались для распределительных и магистральных линий ГТС при эксплуатационных температурах от –50 ^о до +60^о C. Это были кабели типа ТПП – в полиэтиленовой облочке для прокладки в телефонной канализации, по стенам зданий и для подвески и их разновидности (ТППБ – бронированные плоскими лентами, ТППБбШп – защитный наружный шланг, ТППт - со встроенным тросом для подвески и т.д.).

Токопроводящие жилы этих кабелей изготавливались из медной проволоки диаметром 0.32; 0.4; 0.5 и 0.7мм и изолировались сплошным полиэтиленом. Изолированные жилы скручивались шагом не более 100мм. в виде пар и четверок. Изолированные пары и четверки скручивались в сердечник с повивами или в пучки. Кабели предусматривали алюминиевый экран.

Для повышения надежности кабелей и эффективности борьбы с проникновением влаги под оболочку были разработаны герметизированные кабели с гидрофобным заполнителем типа:

ТПЭПЗ – телефонный, с полиэтиленовой изоляцией, экраном из алюминиевой фольги, гидрофобным заполнителем, в полиэтиленовой оболочке;
ТППЗПБ – аналогичный, но бронированный ленточным слоем и в полиэтиленовым шланге и т.д.

Указанные низкочастотные кабели находятся в эксплуатации в большинстве сетей. Для развития сетей доступа необходимо знать реальные возможности этой кабельной продукции прежде всего в характеристиках передачи на частотах до 2 или даже до 10 МГц. В указанных диапазонах должна оцениваться возможность передачи высокоскоростного трафика к абонентам и от их терминалов.

При этом определяющими характеристиками являются:

• километрическое затухание ( [дБ/км]) при различных температурах;

• переходное затухание на ближний и дальний конец (А₀[дБ]; А_l[дБ]);

• величина переходных и внешних помех;

• волновое сопротивление (|Zв| Ом);

• сопротивление шлейфа R₀ [Ом/км].

В таблице 3.1 приведены характеристики кабелей типа Т и ТПП при температуре t=20^оC.

Таблица 3.1 Характеристики кабелей Т, ТПП.

Частота, кГц.	Тип Т с парной скруткой.		Тип ТПП с пучковой скруткой.
	Изоляция воздушно-бумажная; 0.5 мм, R0 = 168 Ом/км.		Изоляция полиэтиленовая; 0.5 мм, R0 = 180 Ом/км.
	|Zв|, Ом.	,дБ/км.	|Zв|, Ом.	, дБ/км.
0.8 3.0 10.0 20.0 50.0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1200 1500 2000	972 480 263 191 143 130 124 122.5 122.5 122 121.5 121 121 121 121 120.5 120.5 120.2	1.2 2.14 3.61 4.61 5.66 6.79 8.61 10.44 12.18 13.66 15.01 16.36 17.4 18.44 19.56 21.58 24.01 28.1	892.5 461 255 185.5 135.3 121.8 116.0 114.3 113.0 112.4 111.8 111.1 110.5 110.5 109.9 109 108.5 107.2	1.22 2.37 3.95 5.08 6.36 7.14 8.36 9.97 11.3 12.6 13.72 14.69 15.64 16.7 17.38 19.2 21.08 23.85

Переходное затухание на ближний конец между парами имеет наименьшее значение в малопарных кабелях (10x2x0.4). В кабелях большой емкости эти влияния существенно меньше из-за взаимного экранирования.

В таблице 3.2 приведены примеры переходных затуханий на ближний конец для ТПП 10x2x0.4 длиной 285 м на частоте 2048 кГц.

Таблица 3.2 Характеристики затухания на ближний конец кабеля ТПП 10x2x0.4 (единицы измерения, дБ)

Влияющая пара	Пара, подверженная влиянию
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10	- 48 43 43 47 47 54 50 45 47	47 - 53 49 47 51 57 53 46 47	44 54 - 50 42 52 47 45 55 44	42 49 49 - 42 42 42 46 55 48	47 48 41 41 - 57 57 49 44 45	49 51 49 43 58 - 58 46 53 55	55 54 47 41 56 59 - 56 44 44	48 56 47 47 53 45 47 - 54 48	44 46 56 54 43 51 47 56 - 38	45 47 46 50 45 54 42 48 39 -

Учет температурной зависимости затухания кабеля должен производится через соотношение:

,

где ₀-километрическое затухание кабеля при температуре 20^оC, -коэффициент (для медных проводов ~ 0.04), t- текущая температура.

Последние усовершенствования медных кабелей базируются на новых стандартах России ГОСТ Р 51311-99. Это кабели марки ТПП в различных модификациях (ТППэп, ТППэп3, ТППэп Б и т.д.) [8]. Диаметры жил кабеля 0,32; 0,4; 0,5; 0,64; 0,7. Шаг скрутки пар от 100 до 500-600 мм. В кабелях предусмотрена заливка гидрофобным заполнителем.

Для внутридомовой проводки в случае реализации цифровых услуг ISDN(2В+D, 30В+D) требуется замена кабеля ТРП на кабель с хорошим значением переходных помех. Такими кабелями являются ТПВ АД – телефонный, полиэтиленовой изоляции жил, поливинилхлоридная оболочка сетей абонентского доступа.

Примеры этих кабелей приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 Кабели типа ТПВАД

Марка Кабеля	Области применения
ТПВ ФД 1x2x0.5 1x2x0.5 1x2x0.5 1x2x0.5	Кабели с цилиндрическим сердечником для передачи сигналов до 200 КГц внутризданий
ТПВЭ АД 2(1x2x0.5) 2(2x2x0.5) 2(4x2x0.5)	Кабели с двумя параллельно уложенными экранированными группами для передачи сигналов до частот 2048 КГц внутри зданий

Область применения кабелей – сеть абонентского доступа:

• неэкранированные до 200 кГц

• экранированные до 200 кГц;

• экранированные до 2048 кГц.

Конструкции этих кабелей обеспечивают переходные затухания между цепями на ближнем конце в строительной длине на частотах 0,1; 100; 200; кГц – 90, 80, 70 дБ соответственно.

Проблемы низкочастотных медных кабелей для развития сетей доступа создают трудности по развертыванию широкополосных цифровых услуг. В чем заключаются эти проблемы?

Абонентские линии, как правило, неоднородны. Пары кабелей, подключаемые в распределительном шкафу и распределительных коробках к плинтам оконечных устройств, могут иметь различный диаметр жил, т.е. различные волновые сопротивления. Вдоль линии обычно располагается несколько соединительных и разветвительных муфт. Увлажненные и загрязненные плинты в распределительных шкафах, неупорядоченные кроссировки между ними приводят к увеличению проводимости между цепями на постоянном и переменном токах, что приводит к возрастанию взаимных влияний. Кроме того, контакты нестабильны на сростках жил в муфтах, окисляются, особенно при попадании влаги в кабель. Возникающая асимметрия зависит и от температуры.

Указанные факторы подробно рассмотрены в [8].

Интенсивное внедрение на абонентских медных линиях цифровой передачи, в частности по технологии xDSL, потребовало изменения взглядов на линии связи. Традиционные кабели ТПП (ГОСТ Р 51311-99) уже не удовлетворяют современным требованиям по скорости передачи, т.к. не обеспечивают полосу частот до 100, 250, и даже 600 МГц. Поэтому в соответствии с международными стандартами:

• американским TIA/EIA 568;

• международным ISO/IEC 11801;

• европейским EN 50173

в России начат выпуск кабельной продукции структурированных кабельных систем (СКС). Кабели представляют собой специальные конструкции витых пар, обеспечивающих широкополосную передачу. Кабели определены по категориям и классам приложений (Таблица 3.4) [15,60].

Таблица 3.4 Категории кабелей СКС и приложения

Тип линии, максимальная частота сигнала.	Класс линии и приложения
	ISO/IEC 11801	ISO/IEC 11801	EN 50173	TIA/EIA 568
Телефонные каналы и низкочастотный обмен данными (до 100 кГц).	A	-	-	-
Средняя скорость (до 1 МГц).	B	-	-	-
Высокая скорость (до 16 МГц).	C	3.4	3	3.4
Очень высокая скорость (до 100 МГц).	D	5.5е (6и7)	5 (6и7)	5 (6и7)

Что представляет собой кабели СКС и продукция для соединения?

СКС (SCS-Structured Cabling System) – представляет собой универсальную кабельную проводку для локальных сетей, проектируемую и устанавливаемую без привязки к конкретным приложениям, т.е. к сетям компьютерным, телефонным, и другим.

Центральным элементом СКС выступает кабель с витыми медными и биметаллическими парами. При формировании кабеля медные пары дополнительно скручиваются между собой и получившейся свиток помещают в изоляционную оболочку с экраном или без экрана. Кроме кабеля в СКС входят розетки для подключения пользовательских устройств, кроссовое и распределительное оборудование. Пример общей архитектуры СКС на основе стандарта EN 50173 приведен на рисунке 3.8.

Как видно из рисунка зона медной кабельной проводки ограничена по протяженности. Чем обусловлено это ограничение? Прежде всего, затуханием пары кабеля и взаимными влияниями между парами одного кабеля.

Рисунок 3.8. Структура общей кабельной сети по стандарту EN 50173

Ниже рассмотрены примеры конструкций и характеристики кабелей СКС с экранированными витыми парами. Кабели обозначаются:

• UTR, Unshielded Twisted Pair, неэкранированная витая пара.

• STR, Shielded Twisted Pair, экранированная витая пара.

Рисунок 3.9. Конструкция экранированного кабеля S – STP 600/900/1000/1200 (категория 7)

На рисунке 3.9 представлена типичная конструкция экранированного симметричного кабеля с экранированными витыми парами.

На рисунке 3.10 представлена типичная конструкция неэкранированного симметричного кабеля.

Рисунок 3.10. Конструкция неэкранированного кабеля UTP 300 (категории 5)

Характерные отличительные признаки рассматриваемых конструкций:

S-STP 600/900/1000/1200

рабочий диапазон до 1200 МГц; каждая пара экранируется фольгой; сопротивление шлейфа 130 Ом/км; асимметрия шлейфа 3%; сопротивление изоляции > 5000 МОм*км; волновое сопротивление при 1-100 МГц 100 Ом; погонная емкость 43 пФ/км и т.д. [67].

UTP 300

рабочий диапазон до 300 МГц; сопротивление шлейфа 185 Ом/км; асимметрия шлейфа 3%; сопротивление изоляции 5000 МОм?км; ; волновое сопротивление при 1-100 МГц 100 Ом; погонная емкость 45 пФ/км и т.д. [67].

Важнейшими характеристиками кабеля СКС являются величины затухания и переходных потерь на ближнем конце (обозначаются в литературе NEXT, Near End Cross Talk), примеры которых приведены на рисунках 3.11 и 3.12.

Рисунок 3.11. Примеры характеристик затухания и переходных влияний для кабеля S – STP 600/900/1000/1200

Кроме характеристики NEXT иногда применяют характеристику переходных помех на дальний конец линии, обозначаемую FEXT, Far End Cross Talk Loss.

Рисунок 3.12. Примеры характеристик затухания и переходных влияний для кабеля UTP 300

В настоящее время (2003/2004 годы) налажен выпуск кабелей СКС емкостью до 100 витых пар. Такие кабели могут быть использованы на протяженных линиях для организации связи по технологиям xDSL в диапазоне частот до 2 МГц.

На рисунках 3.13 и 3.14 приведены примеры характеристик затухания a0 и взаимных влияний для кабелей категорий 3, 5, 5е производства ЭЛИКС – кабель (Москва) для сетей доступа [15].

Рисунок 3.13. Максимальные затухания для кабелей компании ЭЛИКС – кабель

Рисунок 3.14. Средние значения А0 для кабелей ТПП и СКС

Как видно из рисунков кабели СКС имеют существенно лучшие показатели защиты от помех чем телефонные. Они могут быть использованы на 100% для передачи по технологиям xDSL.

Известно, что для построения сетей доступа могут быть использованы существующие сети кабельного телевидения и перспективные интерактивные сети кабельного телевидения. Структуры и стандарты КТВ существуют и развиваются независимо от других сетей, т.к. имеется свой спектр услуг с телевизионным вещанием в основе. Физической средой для передачи сигналов в КТВ чаще всего является коаксиальные кабели различных марок. Для стандартизации в этой области телекоммуникаций в 1995-1996 годах Европейским комитетом по стандартизации в электротехнике (CENELEC) выпущен стандарт EN 50117-коаксиальные кабели, используемые в кабельных распределительных сетях. Он заложил основу нормативной документации на коаксиальные кабели для широкополосных мультимедийных сетей [12,13,14].

Прежде всего стандарт устанавливает ряд диаметров по изоляции для распределительных и магистральных кабелей: 6,9; 8,8; 13.5; 19.4; 23; 29 мм. В нем определена рабочая область частот 5-862МГц, считавшаяся базовой в Европе до 1996 г.

В настоящее время (2003/2004 гг) стандарты коаксиальных кабелей для перспективных сетей находятся в обсуждении. Предполагается, что международная электротехническая комиссия (МЭКIEC) примет единый стандарт коаксиальных кабелей под индексом IEC 61196. Однако уже производятся коаксиальные кабели, отвечающие стандарту EN 50117, но рассчитанные на диапазон частот 5-2500 МГц [14]. Эти кабели отличаются рекордно низкими потерями энергии благодаря применению вспененного полиэтилена для изоляции центрального проводника от трубки. В таблице 3.5 приведены некоторые характеристики новых коаксиальных кабелей для мультимедийных сетей. На рисунке 3.15 приведены характеристики a0.

Таблица 3.5. Характеристики коаксиальных кабелей CAVEL

Элементы конструкции.	Назначение.
	Для внутридомовой прокладки			Между домами
	1	2	3	без троса(т).	с тросом(т).
Проводник внутренний, диаметр, мм.	Медь 1,0	Медь 1,13	Медь 1,63	2,2	2,2
Внешний диаметр, мм.	5.25	5.29	7.85	10.05	-
Диаметр защитной оболочки, мм.	6,6	6,6	10,1	12.7	12,7x18,5
Максимальный радиус изгиба, мм (однократ./многократ).	35/70	35/70	100	150	150
Сопротивление внутреннего проводника, Ом/км.	22.5	18	8,7	5	5
Сопротивление внешнего проводника, Ом/км	29	25	9	8,5	8.5
Испытательное напряжение, кВ.	3.0	2,5	8	8	8

Рисунок 3.15. Характеристики затухания коаксиальных кабелей CAVEL

Если сравнить характеристики затухания кабелей СКС и коаксиальных, то нетрудно увидеть, что коаксиальные имеют существенно меньшее погонное затухание, но при этом они проигрывают в цене. Коаксиальные кабели хорошо защищены от взаимных и внешних помех. Их коэффициент экранирования превышает 75 дБ в полосе частот 30-1000 МГц. Для сравнения характеристик российских и зарубежных кабелей приведена таблица 3.6 [13].

Таблица 3.6. Сравнительные характеристики коаксиальных кабелей

Тип кабеля	РК75-4-11	RG-6	Примечание
Затухание на 100 м
100 МГц	10дБ	6,9 дБ	В ДМВ диапазоне
1000 МГц	40дБ	21дБ	по потери у РК75 в 2 раза больше!!!
Материал центрального проводника	Медь	Медь или луженая медь
Диаметр центрального проводника	0,72 мм	1,00 мм или 1,02 мм	Тоньше жила – больше потерь
Диэлектрик	Полиэтилен	Вспененный полиэтилен с инжекцией газа	Сплошной полиэтилен не позволяет сделать толще центральную жилу
Диаметр диэлектрика	4.6 мм	4,57 мм
Внешний проводник
Фольга	нет	Фольга – полиэстер – фольга	Отсутствие экрана из фольги резко снижает экранировку!!!
Оплетка	Медь	Луженая медь или алюминий
Покрытие	40…60%	40-70%
Коэффициент экранирования	50…60 дБ	85…90 дБ	Вот вам и фольга!
Оболочка	Полиэтилен	полиэтилен или поливинилхлорид
Наружный диаметр	7.3 мм	6.9 мм

3.2.2. Волоконно-оптические кабели в сети доступа

Современное представление о сети доступа уже неразрывно связано с использованием волоконно-оптических кабелей с подводом к абонентскому терминалу или с промежуточным окончанием (“гибридный вариант волокно-медь”).

В чем состоит физика волоконно-оптической передачи?

Когда световая волна падает на границу раздела двух сред, то могут наблюдаться следующие эффекты: свет преломляется; свет отражается; свет распространяется вдоль границы раздела сред.

Эти эффекты зависят от соотношения показателей преломления сред и угла падения света. Связь этих параметров устанавливает закон Снеллиуса:

, где
-угол падения, -угол преломления, V₁-скорость света в среде 1, V₂-скорость света в среде 2. На рисунке 3.16 приведен пример распространения света на границе раздела сред.

Рисунок 3.16. Световые лучи на границе раздела физических сред

В оптических световодах используется эффект отражения света. Они выполняются прямоугольными и цилиндрическими (волоконными). Прямоугольные применяются в микросхемах, а цилиндрические в виде длинных волокон служат основой кабелей (примеры на рисунке 3.17).

Рисунок 3.17. Примеры конструкций волоконных световодов

В конструкциях выделяются две составляющие: сердцевина с диаметром от 8-10 мкм до 100 мкм и оболочка с диаметром от 125 до 140 мкм. Сердцевина и оболочка выполняются из материалов с разной оптической плотностью, которая характеризуется показателем преломления:

где c скорость света в свободном пространстве (~3•108 м/с), V скорость света в веществе. Обычно значение показателя преломления сердцевины обозначается n1, а оболочки n2. Условием распространения света в волноводе в этом случае записывается:

n1>n2.

В зависимости от геометрических размеров сердцевины и соотношения показателей n1 и n2 возможна реализация режимов работы световодов: многомодовый и одномодовый.

Многомодовый режим характеризуется распространением в световоде множества независимых лучей света или типов волн.

Одномодовый режим характеризуется распространением в световоде одного луча света или одного типа световой волны (рисунок 3.18).

Рисунок 3.18. Лучи света в волноводе

Для изготовления световодов применяют многие материалы, которые условно подразделяют на неорганические и органические. К неорганическим относятся стекла (Si O₂, Ge O₂, NA O₂, Ca O , Pb O и другие) и дополнительные присадки к ним (P₂ O₅, Ti O₂, Al₂ O₃, Sb₂ O₃). К органическим относятся пластмассы на основе различных полимеров (метилметакрилат, тетрафтор- пропилметакрилат, метилакрилат и другие) [29,30].

Волоконные световоды на основе пластмасс имеют худшие характеристики чем на основе стекол, но они на порядок дешевле. Это очень важное обстоятельство для использования волоконных световодов в сетях доступа, где наиболее актуально снижение затрат на одно окончание для пользователя.

Одномодовые и многомодовые световоды характеризуются двумя важнейшими параметрами передачи оптических сигналов: затуханием и дисперсией.

Затухание обычно измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение и рассеяния излучения в световоде. Затухание зависит от длины волны излучения, вводимого в волокно. Например, для кварцевых волокон (стекловолокон) передача наиболее эффективна на длинах волн: 0,85 мкм; 1,3 мкм и 1,55 мкм (рисунок 3.19).

Рисунок 3.19. Характеристики затухания кремниевого стекловолокна

Полимерные волокна имеют другие значения длин волн наивысшей эффективности передачи (рисунок 3.20).

Рисунок 3.20. Зависимость эффективности передачи мощности оптического излучения в пластиковом световоде от длины волны

Затухание пластикового световода может составлять десятки и сотни дБ/км, что естественно ограничивает возможности передачи до десятков и сотен метров. Лучшие пластиковые световоды обеспечивают передачу до 3 км при стандартных излучателях и приемниках.

Другой важнейший параметр оптического волокна – дисперсия.

Дисперсия – это рассеяние во времени спектральных, модовых и поляризационных составляющих оптического сигнала.

Известны три типа дисперсии:

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

• хроматическая, которую подразделяют на материальную и волноводную дисперсии, при этом материальная обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны (ширины спектра излучения), а волноводная зависит от процессов распространения составляющих моды в сердцевине и оболочке, т.е. тоже от ширины спектра моды;

• поляризационная модовая дисперсия возникает вследствие различной скорости распространения двух различных двух взаимно перпендикулярных поляризационных составляющих одной моды.

Межмодовая и хроматическая дисперсия имеют размерности [с/км], а поляризационная дисперсия имеет размерность [c/ ].
Совокупная дисперсия световода определяется соотношеием:

,
где – межмодавая, – материальная, – волноводная, – поляризационная.
Кроме того, многомодовое волокно еще характеризуется полосой пропускания [71]:

Хроматическая дисперсия зависит от ширины спектра излучения и она может быть определена произведением: ,
где – ширина спектра источника измерения, (удельная нормированная) величина, измеряемая [пс/нм•км].
Наиболее важные типовые характеристики волоконных стеклянных (Si O₂) световодов приведены в таблице 3.7.

Таблица 3.7. Примеры типовых характеристик стекловолокон

Еще одной характерной особенностью волоконных световодов является структура профиля показателя преломления сердцевины и оболочки. Примеры структур и их влияние на параметры дисперсии показаны на рисунке 3.21

а) ступенчатый профиль показателя преломления оптического волокна

б) треугольный профиль показателя преломления оптического волокна

в) градиентный профиль многомодового оптического волокна

Рисунок 3.21 Примеры взаимосвязи профиля показателя преломления и величины дисперсии волоконных световодов

Известно множество конструкций оптических кабелей. Среди них необходимо выделить кабели для сетей доступа, которые должны отвечать определенным требованиям:

• относительно низкая стоимость;

• требуемая полоса пропускания;

• допустимое затухание на участке доступа;

• простое сопряжение с источниками и приемниками излучения ;

• работа при различных температурах;

• устойчивость к влаге, давлению, вибрациям и т.д.

Оптические кабели в сетях доступа подразделяются на объектовые, распределительные и магистральные.

Объектовые оптические кабели (абонентские) выполняются в формате 1-2 волокон (рисунок 3.22).

Рисунок 3.22. Примеры конструкций объектовых (абонентских) кабелей с волоконными световодами и плотной укладкой волокон

Для распределительной и магистральной линий могут использоваться кабели модульной, ленточной и профилированной конструкций. Они отличаются емкостью и способом размещения волокон. Свободная укладка волокон позволяет компенсировать механические и термические воздействия на волокно в известных пределах нагрузок. Конструкции этих типов кабелей приведены на рисунке 3.23.

Рисунок 3.23. Конструкция оптических кабелей для сети доступа

При оконечивании оптических кабелей, которое осуществляется, как правило, в герметичных кроссовых шкафах и ящиках, каждое волокно завершается разъемным соединителем.

Известны ряд стандартов соединителей:

• коннекторы типа ST (для многомодовых кабелей);

• типа FC (для одномодовых кабелей);

• типа SC (для одномодовых и многомодовых кабелей);

• розетки соответственно ST, FC, SC;

• адаптеры обнаженного волокна для временного оперативного соединения;

• постоянные и переменные аттенюаторы;

• ответвители и разветвители, различающиеся коэффициентом деления мощности сигнала.

Сращивание отдельных волокон различных строительных длин оптических кабелей производится сваркой. В отдельных случаях могут использоваться сплайсовые (трубочные) соединения. Прокладка оптических кабелей сети доступа может быть осуществлена в распределительных желобах, закрепляемых на стены зданий, вдуванием сжатым воздухом в пластиковые трубчатые каналы, проложенные в здания под штукатуркой, подвеской между зданиями или прокладкой в кабельной канализации [26,31,32,38,41,42,57,60].

3.2.3. Средства и методы передачи сигналов в проводных электрических и оптических линиях

Передача сигналов в СД в основном производится в цифровом формате, т.е. в виде двоичных “1” и “0”. При этом возможна передача непосредственно и через аналоговые модемы.

Непосредственная передача цифровых сигналов в электрических и оптических линиях как правило происходит с использованием преобразователей или конверторов линейных сигналов, в которых, прежде всего, на передаче формируется линейный сигнал в подходящем коде. Далее в электрической линии передатчик согласуется с помощью трансформатора с парой проводов, а в оптической линии происходит преобразование электрического сигнала в оптический путем модуляции источника света. Источник света (светодиод или полупроводниковый лазер) должен быть согласован по характеристикам с оптическим волокном. Наибольшую мощность и концентрацию энергии в пространстве обеспечивает лазер, но при этом преобразователь имеет и значительно большую стоимость чем светодиодный вариант передатчика.

Приемник сигналов электрической линии также согласуется с парой проводов через трансформатор. При этом приемник регенерирует (восстанавливает) форму и длительность электрических импульсов. Приемник сигналов оптической линии преобразовывает энергию оптического излучения, пришедшего от передатчика по световоду, в электрический сигнал, усиливает его и также регенерирует, т.е. восстанавливает форму и длительность каждого электрического импульса.

Линейное кодирование сигналов для электрической и оптической линий, как правило, различное. Например, в электрических линиях часто используются коды:

• HDB-3, High Density Bipolar – биполярный код высокой плотности порядка 3;

• AMI, Alternate Mark Inversion – линейный код с инвертированием;

• NRZ, Non Return to Zero – без возвращения к нулю на тактовом интервале;

• 2B1Q, код с преобразованием двух двоичных символов в один четверичный.

Временные диаграммы этих кодов приведены на рисунке 3.24, а спектральные на рисунке 3.25.

Рисунок 3.24. Примеры диаграмм кодов электрических линий

Рисунок 3.25. Спектры сигналов HDB3, 2B1Q, CAP

Использование рассмотренных кодов для передачи сигналов в оптических линиях проблематично, т.к. передавать отрицательную оптическую мощность невозможно, а использование многоуровневой модуляции яркости излучения потребует построения очень сложной схемы приемника. Поэтому в оптической передаче почти исключительно применяются двухуровневые линейные коды.

Примеры этих кодов:

CMI, Coded Mark Inversion – код с инверсией символов (рисунок 3.24);
mBnB – блочный код, где m двоичных символов замещаются группой из n двоичных символов, причем n > m;
Скремблированный NRZ – код в котором производится установление паритетного числа двоичных “0” и “1” через процедуру сложения по модулю два информационной и квазислучайной двоичных последовательностей. Примеры характеристик этих кодов можно найти в [72].

В сети доступа для передачи сигналов могут быть задействованы:

• одна пара проводов;

• две пары проводов;

• одно оптическое волокно;

• пара оптических волокон.

Использование одной пары проводов для встречной передачи возможно благодаря применению адаптивной компенсации помех передатчика своему приемнику. Использование одного оптического световода возможно для передачи и приема на разных длинах волн и на одной волне благодаря направленным оптическим разветвителям.

Использование двух пар проводов или пары световодов надежно обеспечивает раздельную передачу и прием сигналов. Кроме того, в четырехпроводной электрической линии может быть гарантирована передача электрического тока для питания промежуточных регенераторов. Схема передачи тока питания показана на рисунке 3.26.

Рисунок 3.26. Схема электропитания регенератора

На рисунке обозначено:

Пер – передатчик электрического сигнала;
Пр – приемник электрического сигнала;
ПДП – плата дистанционного питания.

Передача сигналов электрических в линиях с помощью модемов получила в последние годы широкую популярность. Это обусловлено возможностью доставки широкополосных сигналов (высокоскоростных сообщений) до пользователей по низкочастотным линиям (по телефонным линиям). При этом, как правило, обеспечивается высокая помехоустойчивость информационных сигналов и достаточно большие участки передачи (от сотен метров до нескольких километров). Общее название модемных методов широкополосной передачи – xDSL, x Digital Subscriber Line, x цифровая абонентская линия.

Индекс X обозначает одну из разновидностей технологии:

А – асимметричная; RA – асимметричная с автоматической настройкой скорости передачи; М – поддерживает многие скорости передачи; S – простая двухпроводная передача; I – низкоскоростная для ISDN; Н – высокоскоростная; SH – симметричная высокоскоростная; V – очень быстрая передача.

Технология xDSL имеет внутренние подразделения на низкоскоростные и высокоскоростные решения, которые зависят и от вида аналоговой или цифровой модуляции.

Известны следующие виды модуляции xDSL:

QAM, Quadrature Amplitude Modulation – квадратурная амплитудная модуляция;
PAM, Pulse Amplitude Modulation – амплитудно-импульсная модуляция;
CAP, Carrierless Amplitude/Phase – амплитудно-фазовая модуляция без несущей (пример спектра сигнала в этом коде на рисунке 3.24);
DMT, Discrete Multitone – дискретная многочастотная модуляция.

Подробные сведения о этих видах модуляции можно получить из [8,10,27,45,37].

Среди цифровых методов модуляции, получивших применение в xDSL, необходимо выделить 2B1Q как эффективное решение по понижению тактовой частоты и сужению спектра в низкочастотную область передачи в электрической линии.

3.2.4. Технологии xDSL

Технология ADSL позволяет организовать передачу по паре проводов существующих абонентских линий UTP категории 3 передачу данных на расстояние до 5,5 км от АТС со скоростью до 8 Мбит/с к абоненту и до 1-1,5 Мбит/с от него. В ADSL применяются два типа линейного кодирования САР и DМТ. При этом телефонные и цифровые сигналы при передаче по линии не мешают друг другу, т.к. занимают разные полосы частот.

Технология ADSL – lite или G.lite поддерживает более низкие скорости (в 1,5 Мбит/с к абоненту и 384 кбит/с от него), но взамен не требует установки специального разветвителя (сплиттера) телефонии и цифровой передачи. Невысокая скорость компенсируется простой установкой и низкой стоимостью развертывания. Расстояние передачи соответствует ADSL.

Технология RADSL представляет собой вариант технологии ADSL с автоматической настройкой скорости передачи (в зависимости от состояния линии).

Технология MDSL обеспечивает передачу цифровых сигналов по одной паре проводов со скоростью 128 кбит/с – 2,3 Мбит/с при модуляции 2B1Q. Кодирование 2B1Q обеспечивает не самую большую дальность передачи, но на сильно зашумленных линиях оно позволяет установить более качественное соединение, чем при использовании САР.

Технология HDSL достаточно давно известная по применению на сетях связи. Обеспечивает работу по паре проводов с фиксированной скоростью 2,048 Мбит/с в двух направлениях. Как правило, применяется 4-хпроводный вариант с дуплексной передачей по каждой паре на расстояние около 4,5-6,5 км по кабелю UTP категории 3. В HDSL применяются следующие виды кодирования: 2B1Q, CAP64, CAP128.

Технология SHDSL представляет собой стандарт высоко скоростной симметричной передачи данных (по терминологии ITU-T G.shdsl). Скорость передачи по одной медной паре достигает 2,3 Мбит/с, по двум медным парам до 4,6 Мбит/с. Скорость может быть фиксированной или адаптивной в диапазоне 192 кбит/с – 2,320 Мбит/с. Дальность передачи на каждой паре проводов с жилами 0,4 мм кабеля UTP категории 3 может составить от 2 до 6 км.

Технология SDSL аналогична HDSL, однако, для организации соединения достаточно двухпроводной абонентской линии. При этом протяженность линии до 3 км и скорость обмена данными до 2,048 Мбит/с.

Технология MSDSL это высокоскоростная симметричная передача синхронного цифрового потока по одной медной паре с изменяемой линейной скоростью. Скорость передачи автоматически корректируется во время работы в соответствии с состоянием линии и качеством сигнала. В зависимости от скорости (144 кбит/с – 2,064 Мбит/с) используется кодирование с CAP 8 по CAP 128. Максимально перекрываемое расстояние по паре кабеля UTP категории 3 до 6,5 км.

Технология VDSL представляет ряд перспективных решений по передаче данных на скоростях от 10 до 50 Мбит/с к абоненту и до 8 Мбит/с от абонента. Для реализации VDSL необходима пара проводов, на которой гарантируется дальность передачи 300 – 1200 м.

Подробная информация о методах проектирования линий xDSL и применяемых при этом расчетах приведена в [8,27].

3.2.5. Технологии оптической передачи

Технологии оптической передачи в сети доступа подразделяются на активные и пассивные.

Активная оптическая технология базируется на различных мультиплексорах (PDH, SDH, ATM), кольцевых и линейных конфигурациях с гарантированной защитой трафика. Пример такой конфигурации приведен на рисунке 3.27.

Рисунок 3.27. Пример схемы сети доступа с применением активной оптической технологии

Это решение имеет как недостатки: высокую стоимость интерфейсов пользователей, оптических интерфейсов и оборудования мультиплексоров выделения/ввода (ADM SDH) синхронной цифровой иерархии. При этом техническое решение гарантирует защиту всего трафика сети доступа в случае повреждения любого участка волоконно-оптической линии или линейного интерфейса.

Значительно большее применение получили технические решения с пассивными волоконно-оптическими сетями, предназначенными для широкополосной передачи B-PON (Broadband Passive Optical Network).

ITU-T среди своих рекомендаций определил всесторонне пассивную волоконно-оптическую технологию для сетей доступа. Это рекомендации:

G.983.1 (1998 год) – спецификация скоростей 155 Мбит/с и 622 Мбит/с;
G.983.2 (2000 год) – спецификация оборудования контроля и управления сетей доступа;
G.983.3 (2001 год) – распределение волн оптического диапазона для многоволнового мультиплексирования в PON;
G.983.4 (2001 год) – динамическое назначение полосы частот для сигналов;
G.983.5 (2001 год) – дублирование функций линейной передачи в сети доступа;
G.983.7 (2001 год) – спецификация управления и контроля оборудования с динамическим назначением полосы частот;
G.984 (1-4) (2001 год) – определили возможности управления PON.

Общая архитектура B-PON представлена на рисунке 3.28.

Рисунок 3.28. Пример конструкции системы B – PON

В этой схеме центральным элементом является точка оптического разветвления. В самом простом исполнении это пассивный оптический делитель, в котором мощность сигнала делится равномерно между выходящими волокнами, т.е. ,
где n число выходящих из ветвителя волокон.

При радиусе действия PON около 20 км максимальное число разветвлений не более 32 по определению ITU-T (рекомендация G.982).

Для эффективного использования участка доступа B-PON между OLT и ONU предложено несколько вариантов решений по передаче оптических сигналов:

• передача синхронная цифровых циклов с определенными временными позициями для ONU (рисунок 3.29) на одной частоте;

• передача и прием синхронная и асинхронная на различных оптических частотах, например, передача 1550 нм прием 1310 нм;

• передача и прием сигналов каждому (от каждого) ONU на своих отдельных частотах при использовании вместо оптического разветвителя оптического фильтра с усилителем и двумя отдельными волокнами передачи и приема (рисунок 3.31);

• передача и прием оптических пакетов, составленных из временных пакетов на разных длинах волн (рисунок 3.32) и в одном или различных волоках с использованием оптического пакетного распределителя.

В любом из вариантов передачи в B-PON требуется синхронизация цифровых окончаний ONU. Эта синхронизация должна быть обеспечена единым высокостабильным тактовым генератором. Кроме того, в направлении каждого ONU должны следовать временные или частотные позиции сигналов для контроля и управления. Более подробная схема доступа B-PON приведена на рисунке 3.24.

В масштабных проводных сетях доступа, покрывающих большие территории возможно комбинированное использование всех выше рассмотренных методов построения сети и передачи данных в ней (рисунок 3.34).

а) Синхронный метод передачи с разделением во времени TDM (Time Division Multiplexing)

б) Метод синхронного доступа с разделением во времени передаваемых временных групп (слотов) TDMA (Time Division Multiplexing Access)

Рисунок 3.29. Синхронная передача циклических групповых сигналов в PON

Рисунок 3.30. Передача в PON потока ячеек АТМ, разделяемых адресами заголовков и услугами внутри каждого потока на ONU

Рисунок 3.31. Передача в PON с использованием частотного и пространственного разделения сигналов сети доступа

а) Передача в PON частотно – временных пакетов

б) Доступ в PON частотно-временными пакетами

Рисунок 3.32. Передача в PON с использованием частотно-временных пакетов сигналов сети доступа

Рисунок 3.33

Рисунок 3.34