DOI: 10.22184/2070-8963.2024.118.2.30.34

Рассматриваются системные аспекты применения в перспективных телекоммуникационных сетях оптических кабелей с многоканальными волокнами. Оценивается эффективность многоканальных волокон со стандартным и увеличенным диаметром оптической оболочки. Приводятся численные значения пространственной и спектральной эффективности. Сопоставляются эффективность и качество кабеля, выполняется расчет значений факторов обеспечения требуемого качества.

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
ISSN 2070-8963
Книги по связи
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по связи
В.Н. Трещиков, В.Н. Листвин
Другие серии книг:
Мир связи
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир материалов и технологий
Мир электроники
Мир программирования
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #2/2024
В.Н.Коршунов, И.А.Овчинникова, Н.А.Шишова
ЭФФЕКТИВНОСТЬ И КАЧЕСТВО ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ С МНОГОКАНАЛЬНЫМИ ВОЛОКНАМИ
Просмотры: 641
DOI: 10.22184/2070-8963.2024.118.2.30.34

Рассматриваются системные аспекты применения в перспективных телекоммуникационных сетях оптических кабелей с многоканальными волокнами. Оценивается эффективность многоканальных волокон со стандартным и увеличенным диаметром оптической оболочки. Приводятся численные значения пространственной и спектральной эффективности. Сопоставляются эффективность и качество кабеля, выполняется расчет значений факторов обеспечения требуемого качества.
Эффективность и качество оптических кабелей
с многоканальными волокнами

В.Н.Коршунов, д.т.н., главный научный сотрудник ВНИИКП / telecom.cables@vniikp.ru,
И.А.Овчинникова, д.т.н., директор научного направления − зав. отделением ВНИИКП / irovchinnikova@gmail.com,
Н.А.Шишова, к.т.н., зав. кафедрой МТС МТУСИ / n.a.shishova@mtuci.ru
УДК 621.315, DOI: 10.22184/2070-8963.2024.118.2.30.34

Рассматриваются системные аспекты применения в перспективных телекоммуникационных сетях оптических кабелей с многоканальными волокнами. Оценивается эффективность многоканальных волокон со стандартным и увеличенным диаметром оптической оболочки. Приводятся численные значения пространственной и спектральной эффективности. Сопоставляются эффективность и качество кабеля, выполняется расчет значений факторов обеспечения требуемого качества.

Введение
Эффективность и качество относятся к доминантным свойствам оптических кабелей (ОК), характеризующим соответствие их модифицирования ходу развития информационной инфраструктуры. Неизменный рост трафика требует увеличения пропускной способности инфокоммуникаций. Решению этой задачи может отвечать применение в ОК многоканальных оптических волокон (МКОВ).

Сегодня в нашей стране и в международных организациях стандартизации телекоммуникаций исследуются перспективы динамики электросвязи. В Стратегии развития отрасли связи РФ на период до 2035 года [1] при ежегодном росте трафика на магистральных сетях на 25% предполагается модифицировать до 90% протяженности сетей действующих и построить новые сети с использованием отечественных аппаратуры и кабелей. В концепциях Сеть-2030 МСЭ-Т и Пятое поколение фиксированной сети F5G ETSI [2] намечен полный перевод сетей на оптические волокна (ОВ) и увеличение пропускной способности более чем в 10 раз. В перспективе к 2030 году ожидается увеличение требуемой пропускной способности системы передачи и сетевого узла наземных линий до, соответственно, 1 Пбит/с и 10 Пбит/с [3].

При условном пределе пропускной способности одномодовых волокон (ООВ) в 100 Тбит/с радикальное ее повышение может быть достигнуто развитием спектрального и пространственного параллелизма передачи сигналов [4]: сверхширокополосностью и увеличением количества пространственных каналов в кабеле и волокне. Исследования показывают на перспективу 2030 года необходимое количество пространственных каналов в оптических системах передачи фиксированных сетей более четырех [5].

ООВ реализует один пространственный канал, МКОВ [6] создают более одного канала посредством пространственного мультиплексирования: сердцевинного и модового [7]. За счет этого повышается спектральная и пространственная эффективность кабеля.

Эффективность кабеля
Эффективность отражает результат операции создания некоторых свойств объекта с обеспечением требуемого качества. На практике применяются два вида эффективности: сопоставление достигаемого и требуемого результатов [8] и сопоставление достигаемого результата и расходуемого для его осуществления ресурса [9].
Управляемые факторы обеспечения эффективности ОК X составляют множество решений:
Χ = {x|x = (x1, x2,…xl)} (1)
в виде семейства подмножеств Xk, соответствующих свойствам кабеля. Подмножества Xk могут представлять собой континуумы (непрерывные параметры и характеристики: размеры элементов, коэффициенты затухания и дисперсии, параметры профиля показателя преломления и т.п.) или дискретные множества с конечным количеством элементов (материал, конфигурация и взаимное расположение элементов конструкции ОК, типы профилей показателей преломления, число ОВ, число модулей и т.п.). В частности, подмножество Xk = XC включает факторы, определяющие пропускную способность С − максимально возможную скорость передачи данных.

Показатель эффективности ОК в виде соотношения достигаемого результата y(x) к требуемому результату yтр определяется как:
W(x)= ρ (y(x), yтр) | x є X, (2)
где ρ – функция соответствия.
В зависимости от содержания конкретных задач оценки, обеспечения и повышения эффективности ОК и практических возможностей их решения выбирается вид показателя эффективности в соответствии с концепцией рацио­нального поведения. В рамках концепции пригодности находятся решения, обеспечивающие достижение требуемых свойств ОК. При детерминированных величинах y и yтр
. (3)
В концепции оптимизации:
W(x) = y(x), Wопт(x) = extr y(x), x є X. (4)

Концепция адаптивизации предусматривает изменение стратегии поиска решения X на основе текущей и прогнозной информации. Этой концепции соответствует итерационный процесс оптимизации по качеству [10], в ходе которого улучшаются отдельные параметры кабеля, причем на отдельных шагах достижение Wопт(x) не является обязательным.
Показатель эффективности вида "результат – ресурс" дается в виде отношения численных значений результата выполненной операции y(x) = G и расходуемого ресурса H:
W = G/H. (5)
Для ОК результат, ресурс и эффективность определяются как:
(6)
где M − количество пространственных каналов;
F и S − спектральный и пространственный ресурс соответственно (занимаемые под передачу сигналов области частотного спектра и физического пространства);
γ и ξ – спектральная и пространственная эффективность соответственно.

Экономическая эффективность использования затрат Э = b/a (где b − доход и прибыль; a − затраты в производственном процессе) [11]. Эффективность вида "результат − ресурс" дает численные показатели ОК, а эффективность вида "достигаемый − требуемый результат" аналогична качеству кабеля.

Качество кабеля
Качество ОК показывает способность удовлетворять потребность в его применении. Являясь промышленным продуктом, оптический кабель имеет жизненный цикл в виде круговой последовательности этапов − петли качества [12]. Элементы жизненного цикла ОК:
  • маркетинг;
  • разработка кабеля;
  • подготовка производственных процессов;
  • материально-техническое снабжение;
  • производство;
  • контроль, испытания;
  • хранение;
  • реализация;
  • прокладка и эксплуатация;
  • утилизация после использования.

На этапах жизненного цикла осуществляется управление качеством [13]. Наибольшее внимание в обеспечении качества ОК уделяется производственным процессам, контролю и проведению испытаний (этапы 4−6 петли). Эту область дополняют этапы разработки, подготовки производственных процессов, прокладки и эксплуатации. При современных представлениях об экологии немаловажную роль играет этап утилизации.

Под системой управления качеством продукции понимается комплекс постоянно действующих организационных, технических, экономических и социальных мероприя­тий, методов и средств, направленных на установление, обеспечение и поддержание необходимого уровня качества продукции на этапах жизненного цикла. Cтандарт ГОСТ Р ИСО 9000-2015 [14] регламентирует понятия руководства качеством. Схема менеджмента качества ОК представлена на рис.1. В нем использована приведенная выше нумерация этапов жизненного цикла ОК.

Согласно стандарта, качество − это степень соответствия требованиям присущих (имеющихся) характеристик объекта: продукции, услуги, процесса и т.п. Качество в таком определении аналогично эффективности вида "достигаемый − требуемый результат" в концепции пригодности. Менеджмент − скоординированная деятельность по руководству и управлению достижением цели (требуемого результата) применительно к качеству. Части менеджмента качества: планирование (установление целей в области качества, путей и средств достижения), обеспечение (гарантия выполнения требований), управление (выполнение требований), улучшение (повышение способности выполнения требований к качеству). Планирование качества ОК − определение целей приведения их свойств в соответствии с потребностями развивающейся инфраструктуры связи −
является постановкой задачи разработки усовершенствованных модификаций ОК. В частности, применение в кабелях МКОВ способствует достижению цели обеспечения необходимой пропускной способности ОК на перспективу развития инфокоммуникационных сетей.

Многоканальные волокна
К МКОВ относятся оптические волокна, реализующие более одного пространственного канала. Количество пространственных каналов в волокне можно определить по формуле:
M = μ ∙ ψ, (7)
где μ − число мод, передаваемых по одной сердцевине;
ψ – число сердцевин в волокне.

При М = 1 волокно является одноканальным (пример − стандартное ООВ), при M > 1 − многоканальным. В настоящее время исследуются МКОВ двух классов: с диаметром оптической оболочки Dоб = 125 мкм и 250 мкм. Первые имеют стандартный размер и удобны в производстве и монтаже. У вторых − увеличенный размер в пределах обеспечения долговременной механической надежности (дальнейшее его увеличение влечет хрупкость ОВ), в них максимизируется количество пространственных каналов.

В реализованном четырехсердцевинном волокне 125 мкм [15] могут передаваться две линейно-поляризованные моды LP01, LP11 или три пространственные моды LP01, LP11а, LP11b. В одномодовом и маломодовом режимах могут быть образованы 4, 8 и 12 пространственных каналов. В другом источнике [16] описано 13-сердцевинное волокно 250 мкм, которое обеспечивает передачу пяти мод: LP01, LP11, LP21, LP02, LP31. Количество пространственных каналов доведено до 65.

Можно видеть, что первое МКОВ при равном размере со стандартным ООВ по пропускной способности эквивалентно 12 одномодовым волокнам, а второе при четырехкратном увеличении площади поперечного сечения сопоставимо по этому параметру уже с 65 ООВ. С применением МКОВ представляется возможным многократно увеличить отношение "результат − ресурс" с соответствующим повышением эффективности.
Согласно (5) и (6), спектральная эффективность:
γ = C/F, бит/с/Гц, (8)
пространственная эффективность:
. (9)
Пропускная способность кабеля при работе высокоскоростных систем передачи определяется как [4]:
C = p ∙ s ∙ M ∙ n ∙ F, (10)
где p = 2 − число поляризаций;
s − число бит на символ;
n − количество пар ОВ в кабеле.

Из выражений (8), (10) следует пропорциональный рост агрегированной спектральной эффективности ОВ с увеличением количества пространственных каналов М. Для рассмотренного выше МКОВ 125 мкм при равном с ООВ пространственном ресурсе S результирующая пространственная эффективность повышается в 4−12 раз. Для МКОВ 250 мкм пространственный ресурс увеличен в четыре раза, результат М выше в 13−65 раз, то есть пространственная эффективность возрастает в 3−16 раз. Оценочные значения эффективности "результат − ресурс", рассчитанные по формулам (8)−(10) для волокон 125 и 250 мкм при форматах модуляции DP-QPSK (ps = 4), DP-16QAM (ps = 8) и DP-64QAM (ps = 12) представлены в табл.1.

Определим условия реализации эффективности "достигаемый − требуемый результат" в перспективе развития инфокоммуникаций при цели управления качеством ОК − обеспечении величины пропускной способности пары волокон 1 Пбит/с. Целевая функция y(x) = C имеет в соответствии с (1) аргумент – четырехэлементное подмножество управляемых факторов:
(11)
Эффективность (качество), определенная по (3):
(12)

Для одной пары ОВ кабеля варьируемыми факторами являются x1, x2, x4. Необходимая ширина полосы частот при yтр = 1000 Тбит/с в соответствии с (10), (11):
x4= F = 1000/p sM, ТГц. (13)
Оценочные значения требуемой ширины спектра x4 приведены в табл.2. Строки и столбцы таблицы соответствуют факторам x1 и x2.

Сопоставление данных табл.2 с номинальной шириной оптических диапазонов показывает, что для диапазона C необходимое количество пространственных каналов составляет 26 и 65, для C+L − 12 и 26, для S+C+L − 4 и 12. В стандартном одномодовом волокне (M = 1) требуемая пропускная способность недостижима, необходимо применение параллельных волокон.

Зависимость C(F) при формате модуляции DP-64QAM для ряда значений M показана на рис.2. Достижение функциями уровня 1 Пбит/с означает обеспечение требуемого качества и пригодной эффективности ОК.

Для 65-канального МКОВ (13 сердцевин, 5 мод) и для 26-канального МКОВ (13 сердцевин, 2 моды) диаметром 250 мкм пропускная способность достигает требуемого результата 1 Пбит/с при работе в оптическом диапазоне C. Для 12-канального (4 сердцевины, 3 моды) МКОВ стандартного размера 125 мкм этот результат достигается в диапазоне C + L. 4-сердцевинное МКОВ 125 мкм с одномодовыми сердцевинами обладает заданным качеством в спектре S+C +L. Одномодовое кварцевое ОВ не дает возможности реализовать качество C = 1 Пбит/с.

Заключение
Взрывной рост телекоммуникационного трафика вызывает востребованность оптических кабелей с многоканальными волокнами. Реализованные МКОВ стандартного размера обеспечивают до 12 пространственных каналов эффективностью 80−1000 1/мм2. В МКОВ удвоенного размера реализовано 65 пространственных каналов с эффективностью около 1300 1/мм2.При использовании форматов модуляции DP-QPSK, DP-16QAM, DP-64AM в паре таких волокон может быть получена агрегированная спектральная эффективность, соответственно, 50−140 бит/с/Гц и 270−750 бит/с/Гц.

Эффективность вида "достигаемый − требуемый результат" аналогична качеству − соответствию характеристик кабеля требованиям. При цели руководства качеством − скорости передачи по паре ОВ 1 Пбит/с для формата модуляции DP-64QAM МКОВ с 26-ю пространственными каналами могут быть использованы в оптическом диапазоне C, с 12 каналами − в диапазоне C+L, с четырьмя каналами − в диапазоне S+C+L.
В перспективе до 2030−2035 года можно ожидать роста экономической эффективности применения МКОВ в ОК на коммерческих линиях связи с реализацией высокого технического потенциала этой новой среды передачи сигналов.

ЛИТЕРАТУРА
Стратегия развития отрасли связи Российской Федерации на период до 2035 года. [Электронный ресурс]. URL: http://static.government.ru/media/files/Pc 7fHuejbNvqv17b0RJNv0RIqTo20lUV.pdf (дата обращения 29.02.2024).
Росляков А.В. Поколения сетей фиксированной связи F1G−F5G // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2023. № 1. С. 36−46.
Marom D., Miyamoto Y., Neilson D.T., Tomkos I. Optical switching in future fiber-optic networks utilizing spectral and spatial degrees of freedom // Proc. IEEE. 2022. Vol. 110. No. 11. PP. 1835−1852.
Коршунов В.Н., Овчинникова И.А., Шишова Н.А. Развитие параллелизма в волоконно-оптических системах передачи // Электросвязь. 2023. № 8. С. 34−41.
Ruiz M. et al. Network traffic analisis under emerging beyond-5G scenarios for multi-band optical technology adoption // J. Opt. Commun. Netw. 2023. Vol. 15. No. 11. PP. F36−F47.
Коршунов В.Н., Шишова Н.А. Многоканальные оптические волокна для высокоскоростных ВОСП // Вестник связи. 2021. № 6. С. 11−15.
Коршунов В.Н., Овчинникова И.А. Применение пространственного мультиплексирования при передаче информации по оптическим кабелям // Кабели и провода. 2018. № 1. С. 12−18.
Надежность и эффективность в технике. Справочник в 10 т. Т. З. Эффективность технических систем. М.: Машиностроение, 1988. 328 c.
Дружинин В.В., Конторов Д.С. Системотехника. М.: Радио и связь, 1985. 200 c.
Верник С.М., Кочановский Л.Н. Оптимизация линейных сооружений связи. М.: Радио и связь, 1984. 136 с.
Кузовкова Т.А. Экономика инфокоммуникаций и методология ее научного исследования. М.: МТУСИ, 2016. 196 c.
Мельников В.П., Смоленцев В.П. Основы обеспечения качества. М.: Буки-Веди, 2016. 538 c.
Белобрагин В.Я. Введение в науку об управлении качеством. М.: Стандарты и качество, 2021. 460 c.
ГОСТ Р ИСО 9000-2015. Система менеджмента качества. Основные положения и словарь.
Sagae Y. et al. Weakly coupled homogeneus 3-mode 4-core fiber with standard diameter // J. Lightwave Technol. 2023. Vol. 40. No. 12. PP. 3950−3956.
Li Z. et al. Experimental research of 13-core 5-LPmode fiber with high doped graded-index core and stairway-index trench // Opt. Express. 2023. Vol. 31. No. 9. PP. 15214−15226.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art