Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС)

Линии связи основанные на передаче информации по оптическим диэлектрическим волокнам получили весьма широкое распространение. Теперь это не только удел провайдеров связи, но и возможность применения для связи между собой серверной и кроссовых узлов, наружных видеокамер и т.п.

Заметка предназначена начинающим специалистам, а «матерые» и так все знают.

Тут конечно сразу можно выделить ряд преимуществ ВОЛС:

• практически неограниченная полоса пропускания сигнала (100Гбит/с — не вопрос) и большие расстояния (об ограничениях в 100 м можно и не вспоминать);
• не страшны электромагнитные помехи/наводки и не оказывается влияния на рядом проложенные линии связи;
• соединяемое оборудование диэлектрически развязано между собой;
• высокий уровень защищенности линии от несанкционированного доступа (достаточно тяжело «незаметно» врезаться в линию для «прослушки»).

Конечно же есть и недостатки:

• хрупкость оптических волокон;
• для монтажа нужен специальный инструмент, который может быть недоступен в «магазине за углом», а также квалифицированные монтажники (при работе нужно соблюдать технику безопасности);
• головки для тестера «на сертификацию» не распространены (обычно делают рефлектометром, но некоторые производители не принимают такие данные, хотя они дают более полную информацию).

Волокна

Тип оптических волокон, а также их число (которых много не бывает), являются основной характеристикой линии связи.

Характеристика	Многомодовое волокно OM1*	Многомодовое волокно OM2*	Многомодовое волокно OM3	Многомодовое волокно OM4	Одномодовое волокно OS2**
Диаметр ядра/оболочки, мкм	62,5/125	50/125 62,5/125 (встречается реже)	50/125	50/125	9/125
Цветовая маркировка оболочки (рекомендованная)	оранжевая	оранжевая	морской волны (aqua)	морской волны (aqua) или маджента	желтый
Максимальное расстояние*, м	1000Base-SX @850nm - 220 1000Base-LX @1310nm - 550 10GBase-SR @850nm - 33	1000Base-SX @850nm - 550 1000Base-LX @1310nm - 550 10GBase-SR @850nm - 82	1000Base-SX @850nm - 550*** 1000Base-LX @1310nm - 550 10GBase-SR @850nm - 300 40GBase-SR4/100GBASE-SR10 @850nm - 100	1000Base-SX @850nm - 550*** 1000Base-LX @1310nm - 550 10GBase-SR @850nm - 400 40GBase-SR4/100GBASE-SR10 @850nm - 150	1000Base-LX @1310nm - 5000**** 1000BASE‑BX10 @1310/1500nm- 10000 40GBase-LR4/100GBase-LR4 @1310nm - 10000

* Волокна типа OM1 и ОМ2 считаются устаревшими (подразумевали использование только светодиодных передатчиков), хотя до сих пор обеспечивают передачу данных до 10Гбит/с, хоть и на линиях небольшой длины;
** Волокна типа OS1 имели несколько разновидностей и уже около 10 лет назад у многих производителей они соответствовали текущему OS2. В настоящее время OS1 практически не встречается;
*** Производители SFP-модулей зачастую заявляют большую дальность — около 1 км;
**** Производители SFP-модулей зачастую заявляют большую дальность — 10 км.

Небольшие комментарии к таблице:

• рядом со стандартом через @ указана длина волны. У оптических волокон есть так называемые «окна прозрачности» в которых затухание минимально (это — 850 нм, 1310 нм и 1550 нм, но производители волокон не стоят на месте и увеличивают их количество);
• хотя и производителей кабелей много, но волокна производит только небольшое количество фирм: самые известные это конечно Corning (да-да, именно их стекла Gorilla Glass большинство знает) и Fujikura, но стоит упомянуть и ofs, Hitachi Cable, Sumitomo Electric и Draka NK Cables;
• OM1-OM4 — это обозначения многомодовых кабелей принятых в ISO 11801 и они отличаются от тех, что приняты в стандартах IEC 60793-2-10 и TIA/EIA. Но в основном обозначения на сайтах производителей и поставщиков указываются именно согласно ISO11801;
• появился кабель типа OM5 (в ноябре 2017 г.), но он пока слабо распространен и насколько окажется «живуч» — не понятно.

Выбор типа волокна является комплексной задачей, в которой как правило два участника — «кабельщик» (СКСник) и «сетевик», так как цена линии будет складываться из стоимости кабельной линии и SFP-модулей. Если для административных зданий обычно применяются многомодовые волокна, то на «дальние» дистанции и на территории заводов — одномод. Именно согласно подобранному типу волокон подбираются все остальные «комплектующие».

Ну и из разряда треша: на небольших дистанциях можно использовать кабель с многомодовыми волокнами совместно одномодовыми передатчиками и коммутационными шнурами. Но так лучше не делать 🙂

Кабельная конструкция

Одним из недостатков оптических волокон, как было указано выше, является их относительная хрупкость, поэтому для защиты применяются различные технологии (в зависимости от сферы применений). Для административных зданий типовой выбор — с плотным буфером (tight buffer) с усилением кевларовыми нитями.

Пара слов о буфере, который первым «защищает» световод (волокно в первичном покрытии) и бывает 3-х видов:

• плотный (tight buffer) — cлой покрытия непосредственно прилегает к световоду, на который нанесено первичное покрытие. Минусы возникают при длительном хранении — буферное покрытие становится хрупким и плохо очищается, что вызвало появление других типов буфера, хотя материалы для плотного буфера развиваются и данный тип оболочки становится универсальным (есть сомнения при выборе буфера );
• полуплотный (semi-tight buffer) — между буфером и световодом с первичным покрытием есть небольшой зазор, который позволяет волокну скользить в нем. Данный тип волокна не годится для коммутационных шнуров и монтажники сразу должны знать, что будут варить полуплотный буфер;
• свободный (loose tube) — между световодом в первичном покрытии и буфером есть большой зазор. Применяется в основном для наружной прокладки, ставить клеевые коннекторы на такие кабели нельзя.

Информация утащена отсюда.

Остальные нюансы — аналогично электрическим кабелям, разве что вопрос с экранированием не стоит 🙂

Если у кабеля есть броня, то на вводе в здание ее нужно заземлить — для этого можно применить ВКР-1 производства «Связьстройдеталь» или Scotchlok 4460-D/FO производства 3M.

Отмечу, что использование специальных лотков для оптических кабелей на мой взгляд похоже на выманивание денег, так как стоят они ровно в 10 раз дороже, чем обычные проволочные.

Оконцевание волокон кабеля

Для оконцевания волокон кабеля существует два метода:

• сварка: к оконечиваемому волокну кабеля с помощью специального аппарата «сварочника» приваривается небольшой кусочек кабеля с одним разъемом, изготовленному в промышленных условиях (так называемый пигтейл, от англ. pig-tail). Место соединения защищается термоусаживаемой трубкой с металлическим стержнем (КДЗС, типовой вариант сейчас — 40 мм). КДЗС устанавливаются в специальные держатели, которые в свою очередь монтируются в сплайс-кассету и потом в оптические полки (кроссы);
• непосредственного оконцевания: подготовленное волокно вводится в специальный разъем и фиксируется. Т.е. не требуется установки КДЗС, а сплайс-кассету можно использовать для укладки волокон.

Сварка дает более хорошие результаты, к тому же дешевле чем коннекторы непосредственного оконцевания. Поэтому второй метод занял нишу «полевого монтажа», т.е. когда нужно отремонтировать существующую линию, а «сварочник» уехал на другой объект или можно «заложить» в проект, если количество разъемов под разделку невелико или он находится «у черта на куличках» (весь нехитрый необходимый инструмент включить в спецификацию, хоть так делать нехорошо).

Методом сварки волокон также соединяются оптические муфты (которые нужно по возможности избегать). Также существуют механические сплайсы (например, Fibrlok производства 3M), которые обеспечивают чуть худшее соединение чем сварка, ну и стоят дороже (при небольшом объеме соединений — вполне нормальное решение).

Немного о коннекторах (они же разъемы). В white-paper от Cisco нашел вот такую замечательную табличку:

Как видно самыми хорошими характеристиками обладает разъем LC, к тому же он наиболее компактный (не считая многоволоконных разъемов типа MTP/MPO, которые в таблице указаны как MT Array). Однако, именно компактность не всегда удобна (например, если шкафчик с оптическим кроссом стоит на улице, а погода как всегда бывает — подкачала).

Отмечу, что указанны затухания весьма условно — все зависит от производителя коннекторов.

В табличку не попал еще один тип разъема — MTRJ, но он в отличии от остальных встречается крайне редко (фактически естественно вымирает), хотя обеспечивает весьма неплохие характеристики по затуханию сигнала (на уровне разъема LC).

И конечно же стоит упомянуть о способе полировки кончика коннектора (ферула):

И если полировка PC/UPC еще совместима между собой, то коннекторы с APC (от Angled Physical Contact) и PC/UPC не стыкуются между собой, что приводит к большим потерям. Поэтому разъемы с APC имеют отличительный зеленый цвет, тогда как одномодовые — голубые, а многомодовые — бежевые. Как правило, коннекторы с полировкой APC используются операторами связи. Старайтесь использовать полировку UPC (PC можно встретить все реже).

Кроссы

Для оптических линий разъемное соединение выглядит не как «вилка»-«розетка», а «коннектор» — соединитель — «коннектор», где соединитель позиционирует разъемы между собой.

Соединители бывают на один разъем (simplex) FC/ST/SC/LC/MTP/MPO, два (duplex) SC/LC или четыре (quad) LC. Стоит обратить внимание, что соединители duplex-LC (DLC) выпускают в форм-факторе под отверстие simpex SC. Цветовая маркировка — аналогичная разъемам.

Кроссы представляют, как правило представляют из себя металлический ящик (в том или ином виде), в который вводится кабель, разделывается в нем и «наружу» обслуживаемой области уже выходят соединители. Обслуживаемая область может находиться внутри корпуса или снаружи. Это достаточно примитивные устройства, если не требуется «супер»-высокая плотность (кроссы на несколько тысяч соединений). Кроссы могут поставляться «под ключ» (т.е. комплектоваться сплайс-кассетой с держателем КДЗС, сами КДЗС, пигтейлы и соединители) или только корпус со сплайс-кассетой — будьте внимательнее при заказе.

Коммутационные шнуры (патч-корды)

В силу большого многообразия разъемов (причем все они реально используются) производители делают шнуры с разными разъемами на концах и это не является экзотикой.

Из нюансов стоит отметить:

• диаметр кабеля может быть 0,9, 2 и 3 мм. Чем толще — тем лучше защита волокна и тем менее удобнее его укладывать;
• существуют разъемы с угловым хвостовиком (редко, но есть) — удобно использовать, когда нужно обеспечить защиту от повреждения, например, дверью шкафа;
• бывают с одним (simplex) и двумя (duplex) волокнами. Simplex-шнуры используются преимущественно для протоколов, где прием и передача осуществляется по одному волокну (например, 1000BASE‑BX10).

Бюджет линии

При проектировании оптических линий до вас могут «докопаться» с предоставлением бюджета — т.е. определить затухание в линии, насколько оно соответствует требованиям стандартов. Если у вас не линейные сооружения и нет кучи проходных кроссов и муфт, то это на мой взгляд бессмысленное мероприятие, так как по текущему состоянию развития техники — практически у всех производителей затухания гораздо меньше, чем требуют стандарты. Но на всякий случай сделал калькулятор. Перед работой с ним нужно будет получить техническую информацию по используемым в оптической линии компонентам. Нужно понимать, что это только расчет, реальная цифра по затуханию в линии будет только после тестирования и при наличии «прямых рук» у монтажников может быть ниже расчетного бюджета.

Цена вопроса

Оптические линии связи давно перестали быть «диковинкой» и поэтому цены на комплектующие не то что вполне умеренные, а если не гнаться за «брендом» (Commscope, R&M и т.п.) — смешные: посмотрите ассортимент магазина «Связьстройдеталь».

P.S. В заметке намеренно не приводил:

• теоретическую информацию о том, как свет распространяется в волокнах, так как к практической области проектирования систем связи это имеет слабое применение (если конечно вы еще не разработчик SFP-модулей);
• информацию о пластиковых/полимерных волокнах POF, которые обычно используют провайдеры GPON, хотя и у них встречаются интересные решения: