Для соединения концентратора с входящим оптическим кабелем необходим коммутирующий модуль HP AdvanceStack 100Base-FX Switch Port Module(J3248A) (Рис. 3.5).

Рисунок4.5. Модуль HP AdvanceStack 100Base-FX Switch Port Module(J3248A)

3.2.3 Концентраторы для ПР2 и ПР1

Для подключения рабочих групп этих цехов берем также концентраторы HP AdvanceStack 100Base-T Hub-12TXM (HP J3234A) и коммутирующие модули к ним HP AdvanceStack 100Base-FX Switch Port Module(J3248A).

3.2.4 Сетевые адаптеры для серверов

Сегодня все чаще и чаще возникают повышенные требование к пропускной способности каналов между клиентами сети и серверами. Это происходит по разным причинам:

повышение производительности клиентских компьютеров;

увеличение числа пользователей в сети;

появление приложений, работающих с мультимедийной информацией, которая хранится в файлах очень

больших размеров;

увеличение числа сервисов, работающих в реальном масштабе времени.

Следовательно, имеется потребность в экономичном решении, предоставляющем нужную пропускную способность во всех перечисленных случаях. Ситуация усложняется еще и тем, что нужны различные технологические решения - для организации магистралей сети и подключения серверов одни, а для подключения настольных клиентов - другие.

В проектируемой сети предполагается установить два файловых сервера. В основном все рабочие станции будут работать с ресурсами серверов, следовательно, в этом случае появляется потенциальное узкое место в сети, а конкретно - порт коммутатора для подключения сервера. Так как все сегменты новых рабочих групп будут подключаться на скорости 100 Мбит/сек, и сервера подключаются тоже на этой скорости, то все рабочие группы будут делить между собой полосу пропускания в 100 Мбит/сек. В зависимости от создаваемого ими трафика, время ожидания отклика серверов может варьироваться в значительных пределах. Расширить полосу пропускания между сервером и коммутатором, можно несколькими способами: либо используя коммутатор с одним высокоскоростным гигабитным портом для подключения сервера и несколькими портами на 100 Мбит/сек для подключения рабочих станций и групп, либо используя для подключения сервера специальных двухканальных полнодуплексных сетевых карт. Второе решение представляется более экономичным. Альтернативным решением данной проблемы может являться установка еще одного сервера, но данное решение я рассматривать не буду.

Компания SMC предлагает комплекс “TigerArray2” на базе двухканального сетевого адаптера EtherPower 10/100 (SMC9334BDT/SC).

TigerArray2 является мощной комбинацией аппаратного и програмного обеспечения, созданной специально для решения проблем, связанных с высоким уровнем сетевого трафика на серверах, повышает устойчивость и надежность сети. Аппаратная часть комплекта TigerArray2 содержит двухканальную сетевую плату EtherPower 10/100 PCI. Данный адаптер сочетает в себе функциональность двух отдельных плат, занимая всего один слот. Однако настоящим преимуществом этого комплекта является програмный TigerArray2 драйвер для распределения нагрузки. Этот промежуточный NT драйвер объединяет оба канала в единую "виртуальную" плату. Програмное обеспечение в этом случае распределяет общую нагрузку на оба канала, эффективно удваивая пропускную способность сетевого подключения на сервере.

Свойства/преимущества

Высокая производительность

Распределение нагрузки сетевого трафика

Двухканальный режим удваивает пропускную способность сети, используя один слот PCI

Низкий коэфицент использования ЦП

Дуплексный режим на обеих скоростях передачи данных

32-битный режим bus-master

Высокая пропускная способность

Дуплексное 400 Мбит/с соединение сервера с коммутатором исключает "узкие места" и максимизирует производительность

Отказоустойчивость

Динамичное восстановление после сбоя на обеих каналах для исключения потери данных

Автоматическое определение и оповещение по SNMP об ошибках в каналах связи, платах и кабельной проводке

Резервирование тракта данных и сетевых портов

Простота установки и использования

Auto Negotiation

Утилита диагностики сетевых плат EZDiag упрощает мониторинг и отладку

Универсальность

Позволяет исползовать несколько TigerArray2 в одном сервере

Регилирует трафик IP, IPX, NetBEUI

Экономия одного слота расширения

Надежность

Пожизненная гарантия

Бесплатная техническая поддержка

Оценим, хватит ли пропускной способности данного решения для обеспечения высокой производительности работы сети. Итак, в сети имеется 2 сервера и 4 рабочих группы, каждая из которых подключена к коммутатору по полнодуплексному соединению 100 Мбит/сек. Если на каждый сервер поставить TigerArray2, то суммарная пропускная способность тракта “коммутатор - сервера” будет составлять 400 Мбит/сек при полнодуплексном соединении. А все четыре сегмента рабочих групп могут создать общий трафик тоже соответственно 400 Мбит/сек при полнодуплексном соединении. Но учитывая то, что вероятность одновременного обращения клиентов разных рабочих групп к серверам не очень велика, данного решения вполне достаточно для обеспечения высокой пропускной способности сети.

На основании вышесказанного выбираем для серверов сетевые адаптеры SMC TigerArray2.

3.2.5 Сетевые адаптеры для рабочих станций

Основные требования к сетевым адаптерам рабочих станций:

Высокая производительность

Универсальность

Гибкость конфигурации

Дополнительные возможности

Адаптеры Fast Ethernet обеспечивают различным приложениям (графика, multimedia, Windows-программы) высокую производительность сети при малой загрузке процессора. Адаптеры для шины PCI поддерживают полнодуплексный режим (Full Duplex Fast Ethernet - FDFE), позволяющий вдвое повысить производительность сети. FDFE управляется программными средствами и не требует установки каких-либо переключателей или перемычек. Комбинированные адаптеры TX и T4 обеспечивают возможность подключения к сети через разъем BNC (10 Мбит/сек) или RJ-45. Вы можете включить сегодня адаптер в старую сеть на базе коаксиального кабеля с тем, чтобы завтра перейти к использованию технологии Fast Ethernet. Режим AutoSense во всех адаптерах 10/100 Mbps позволяет автоматически устанавливать максимальную для используемого оборудования скорость обмена. Вам не потребуется конфигурировать адаптер вручную, адаптеры автоматически установят скорость и режим даже при работе с устройствами, не поддерживающими спецификации о согласование скорости. Независимо от выбранной Вами модели инсталляция адаптера не составит труда. Все адаптеры PCI поддерживают автоматическую установку параметров с помощью PCI BIOS. Адаптеры EISA поставляются с конфигурационными файлами и поддерживают конфигурационные утилиты EISA. Модели с шиной ISA поддерживают технологию Plug-and-Play.

Для рабочих станций выбираем адаптер HP 10BT/100TX NightDIRECTOR/100 Ethernet Card (D3999A) который имеет следующие технические характеристики:

вставляется в стандартный PCI слот;

имеет один порт 10/100TX, поддерживающий удаленное включение и активизацию компьютера после засыпания (Remote Power On (RPO), Remote Wake Up (RWU));

имеет один разъем для Flash-памяти, которая обеспечивает проверку на вирусы;

режим Full-Duplex.

3.3 Выбор кабельной системы для построения вычислительной сети

Чтобы построить любую сеть, необходимо знать ограничения и возможности каждого типа кабелей, применяющихся в сетевой инфраструктуре. На тип применяемого кабеля существенное влияние оказывает характеристики передаваемой информации, важнейшей из которых является скорость передачи.

Так для 100Base-TX сетей, нужно использовать кабель 5 Категории или лучший. Длина сегмента от конечного устройства до концентратора - 100 метров для витой пары. При выборе кабельной инфраструктуры могут возникнуть особые ситуации:

требуется большие длины непрерывного кабеля

необходима защита от помех

необходима внешняя прокладка кабеля

Большие длины

Номинальная максимальная длина кабеля витой пары - 100 метров. Номинал указывает, что фактическая, максимальная длина может изменяться от изготовителя к изготовителю. Можно узнать характеристики у вашего кабельного поставщика, чтобы найти фактическую максимальную длину для кабеля. Если нужно более длинный кабель, чем 100 метров, есть два решения: одно, использующее кабель витую пару и одно использующее волоконно-оптический кабель. Можно получить кабельные длины вплоть до 225 метров с витой парой, и вплоть до 2000 метров с волоконно-оптическим кабелем. Для того, чтобы увеличить максимальную длину витой пары, применяются трансиверы, которые имеют функцию удлинения номинальной длины (Рис. 3.6)

Рис.3.6 Использование трансиверов для витой пары.

При использовании волоконно-оптического кабеля необходимы оптоволоконные трансиверы. Если кабель подключен между устройствами, которые формируют границы LAN (мосты, коммутаторы, маршрутизаторы), то расстояние в 2000 метров соответствует стандарту FastEthernet на задержку. В принципе можно подключить даже небольшую рабочую группу к другому концу кабеля, при условии, что один из концов является устройством, формирующим границу сети (мосты, коммутаторы, маршрутизаторы) - то есть коллизионный домен (Рис.2.8).

Рис.3.7 Использование коммутатора для удлинения ВОК

Защита от помех

Поскольку волоконно-оптический кабель использует оптический, а не электрический сигналы, волоконно-оптический кабель устойчив от воздействия электромагнитных помех. Если нужно сделать сеть, в которой будут присутствовать соединения через области высоких электромагнитных помех, то рекомендуется использование волоконно-оптической направляющей системы, которая обеспечит устойчивость против помех.

Кабель для внешней прокладки

Для прокладки кабеля на открытом воздухе между строениями единственный кабель, который рекомендуется использовать - волоконно-оптический. Поскольку у волоконно-оптического кабеля - оптическая, а не электрическая середина, он устойчив от ударов молний. Внешний волоконно-оптический кабель должен прокладываться так, чтобы предохранить его от физического повреждения.

Выбор кабельных компонентов

В нашем случае для соединения Административного здания с цехами требуется оптический кабель. Выбираем ОКП-62,5-02-0,7-4. Это кабель оптический подвесной, отечественного производства, укомплектованный оптическими волокнами компании Corning. Кабель имеет 4 многомодовых 62,5/125 волокна, предназначенный для наружной прокладки. Для каждого соединения нам требуется два волокна, - следовательно, остальные два могут быть использованы в качестве резерва на случай расширения сети или при повреждении других волокон.

Для организации ввода оптического кабеля в здание необходимы оптические распределительные коробки. Выбираем для Административного здания коробку, рассчитанную на 16 SC портов (по числу входящих оптических волокон) фирмы FOCI, имеющую сплайс-пластину и дверь с замком. Для цехов выбираем распределительные коробки расчитанные на 8 SC портов, предлагаемые фирмой Vimcom-Optic. Для соединения активного оборудования с оптическими коробками необходимы сдвоенные соединительные оптические шнуры с SC коннекторами. Выбираем предлагаемый фирмой Vimcom-Optic DPC-M-3-SC/SC сдвоенный патч-корд SC, рассчитанный на мнгогомодовое волокно, длиной 3 метра.

Поскольку кабельная система закладывается на 10-15 лет, невозможно точно распланировать схему размещения персонала по рабочим местам и определить типы оборудования для каждого рабочего места. Поэтому, в предлагаемые проектные решения закладываются соединения только 4-х парным кабелем категории 5. Это дает возможность перевода любой точки подключения (розетки) из категории передачи голоса в категорию передачи данных и наоборот.

Для подключения рабочих станций к концентраторам используем кабель категории 5 компании AMP. Кабель содержит 4 экранированых витых пары, заключенных в поливинилхлоридную оболочку и упакован в коробку (305 метров). Одножильный, 4-парный, 100 0м, диаметр проводника -0,51 мм (0,0201" или 24 AWG). Общий экран является дополнением к основной конструкции. Внешний диаметр кабеля не более 6,35мм (0,25 "). Имеет 15-летнюю гарантию производителя.

Активное оборудование должно быть защищено от внешнего воздействия, для чего необходимы телекоммуникационные шкафы. Выберем настенный шкаф компании Rittal серии EL2243.600 - 3ВЕ с габаритами 600*212*415 миллиметров, со стеклянной дверцей, 3-секционный.

В коммуникационных центрах формируется коммутационное поле из двухрядных панелей. К портам нижнего ряда задней стороны панелей подключается коммуникационное оборудование активное сетевое оборудование. К портам верхнего ряда задней стороны панелей подключается система кабелей горизонтальной разводки. Соединение конкретной розетки с конкретным портом оборудования осуществляется на “чистом” коммутационном поле на фронтальной стороне панели коммутационными перемычками. Применение двухрядной панели вызвано:

необходимостью защиты оборудования и горизонтальной кабельной системы от действий персонала, работающего в коммуникационном центре;

удобством проведения перекоммутаций только на легкодоступной лицевой поверхности панелей;

удобством работы не с жесткими горизонтальными кабелями, а с гибкими коммутационными перемычками.

Заделка кабелей на тыльной части панели производится в жесткое соединение типа “110” или “Krone”, что увеличивает его надежность. В подобной схеме легко осуществляема реализация соединения любого порта оборудования с любой розеткой.

Выбираем патч-панель компании Siemon: HD5-16T4-CK Патч-панель 16-ти портовая (T568A) 5-й категории.

Таблица 3.5. Список необходимого оборудования

Код	Название	Количество
J4120A	HP ProCurve Switch 1600M (16 ports/1slot)	1
J4112A	HP ProCurve Switch 100Base-FX Module (4 ports)	1
J3233B	HP AdvanceStack 100Base-T Hub-12TXM	4
J3248A	HP AdvanceStack 100Base-FX Switch Port Module	4
SMC9334BDT/SC	TigerArray, 1 card, 2*RJ-45, Software	2
D6692A	HP 10/100Base-TX NightDirector/100 card	16
ОКП-62,5-02-0,7-4	Кабель оптический подвесной mm 4х62,5/125	2000
PT-M-1-SC/NC	Pig Tail SC mm, 1m	36
DPC-M-3-SC/SC	Dual Patch-cord SC mm, 3 м	10
EL2243.600	Rittal Шкаф 3ВЕ-600*212*415 стекл. дв., 3-секц.	5
HD5-16T4-CK	Патч-панель 16-ти портовая (T568A) 5-й категории (шт.)	5
0-0057819-2	FTP, Cat. 5, 4 pair, solid, 100MHz, PVC, for 15-years AMP Warr., box (305m)	2
MMT0	(MINI TRUNKING) Короб 16 x 10mm (1м) Стандартная длина - 2,92м	200
MMT2	(MINI TRUNKING) Короб 25 x 16mm (1м) Стандартная длина - 2,92м	200
CT-5F-T4-(XX)	Розетка CT-серии 5-й категории RJ45 (T568A) белый, в полной комп. (шт.)	16
MB5008SC	Распределительная коробка металл. до 8 портов SC	4
D-WP-B-016	Распределительная коробка FOCI, 16 портов ST/FC/SC сплайс, дверь с замком	1

3.4 Построение прототипа вычислительной сети типографии

Для построения объективной физической структуры локальной сети воспользуемся средой моделирования вычислительных сетей фирмы CiscoPacketTracer 5.0, которая позволяет построить карту соединений между устройствами с различными типами сред передачи данных и различными сетевыми и коммуникационными устройствами.

Прототип был построен, соответствующим образом настроен и проверен встроенными средствами. Вид прототипа показан на рисунке 3.8.



Рис. 3.8 Прототип физической топологии

4. МОНТАЖ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ

4.1 Расчет основных параметров оптического кабеля

Геометрические параметры кабеля

Относительная разность показателей преломления. Волокно состоит из сердцевины и оболочки. Оболочка окружает оптически более плотную сердцевину, являющуюся светонесущей частью волокна. Будем обозначать через n1 и n2 показатели преломления сердцевины и оболочки соответственно. Один из важных параметров, который характеризует волокно, - это относительная разность показателей преломления :

. (4 - 1)

Если показатель преломления оболочки выбирается всегда постоянной величиной, то показатель преломления сердцевины в общем случае может зависеть от радиуса. Распространение света по волокну можно объяснить на основе принципа полного внутреннего отражения, вытекающего из закона преломления света Снеллиуса:

,(4 -2)

где n1 - показатель преломления среды 1, - угол падения, n2 - показатель преломления среды 2, - угол преломления.

Формальные выкладки удобнее производить для ступенчатого волокна, в котором показатель преломления сердцевины является постоянной величиной (n1 = const). Так как сердцевина является оптически более плотной средой по отношению к оболочке (n1 > n2), то существует критический угол падения - внутренний угол падения на границу, при котором преломленный луч идет на границе двух сред (). Из закона Снеллиуса легко найти этот критический угол падения:

(4-3)

Если угол падения на границу раздела меньше критического угла падения (луч 2), то при каждом внутреннем отражении от границы вся энергия возвращается обратно в сердцевину благодаря полному внутреннему отражению.

Лучи, траектории которых полностью лежат в оптически более плотной среде, называются направляемыми. Поскольку энергия таких лучей не рассеивается наружу, они могут распространяться на большие расстояния.

Числовая апертура. Важным параметром, характеризующим волокно, является числовая апертура NA. Она связана с максимальным углом вводимого в волокно излучения из свободного пространства, при котором свет испытывает полное внутреннее отражение и распространяется по волокну, формулой:

(4 - 4)

Фирмы-изготовители волокна экспериментально измеряют угол и указывают соответствующее значение числовой апертуры для каждого поставляемого типа волокна. Для волокна со ступенчатым профилем легко получить значение числовой апертуры, выраженное через показатели преломления:

(4 - 5)

Для градиентного волокна используется понятие локальной числовой апертуры , значение которой максимально на оси и падает до 0 на границе сердцевины и оболочки. Для градиентного волокна с параболическим показателем преломления, формула ХХХ, определяется эффективная числовая апертура, которая равна

(4 - 6)

где - максимальное значение показателя преломления на оси.

Нормированная частота. Другим важным параметром, характеризующим волокно и распространяющийся по нему свет, является нормированная частота V, которая определяется как

(4 - 5)

где d - диаметр сердцевины волокна.

Номенклатура мод. При более строгом рассмотрении процесса распространения света по волокну следует решать волновые уравнения Максвелла. Именно в этой трактовке лучи ассоциируются с волнами, причем различные типы волн - решения уравнений - называются модами.

Сами моды обозначаются буквами E и/или H с двумя индексами n и m. Индекс n характеризует азимутальные свойства волны (число изменений поля по окружности), а m - радиальные (число изменений поля по диаметру). По оптическому волокну распространяются только два типа волн: симметричные (E0m и H0m), у которых только одна продольная составляющая, и несимметричные (смешанные) (Enm и Hnm), у которых две продольные составляющие.

При этом, если преобладает продольная составляющая электрического поля - Е_z, то волна обозначается ЕН_nm, а если преобладает продольная составляющая магнитного поля Н_z, то волна называется , то волна называется НЕ_nm, Сопоставляя волновую теорию с геометрической оптикой, следует отметить, что симметричные моды Е_0m и Н_0m соответствуют меридиональным лучам, несимметричные моды Е_nm и Н_nm - косым лучам.

По волокну могут распространятся как только одна мода - одномодовый режим, так и много мод - многомодовый режим. Многомодовый или одномодовый характер идущего по волокну света коренным образом влияет на дисперсию, а следовательно, и на пропускную способность волокна. Расчет на основе уравнений Максвелла позволяет найти простой критерий распространения одной моды: V2,405 (точное значение константы в правой части неравенства определяется первым нулем функции Бесселя I₀(x)). Это гибридная мода НЕ₁₁. Отметим, что нормированная частота явно зависит от длины волны света. В табл. 4.1 приведены значения нормированной частоты, вычесленные по формуле (4-7).

Как видно из табл. (4.1), в одномодовом ступенчатом волокне при длине волны света 1550 нм выполняется критерий (4-8), и поэтому распространяется только одна мода. При длине волны 1310 нм критерий не выполнен, что означает возможность распространения нескольких мод в одномодовом волокне на этой длине волны. На практике, однако, волокно помещается в кабель, который, будучи проложенным, имеет множество изгибов. Особенно велики искривления волокна в сплайс-боксах. Искривления волокна приводит к быстрому затуханию неосновных мод. Во всех остальных случаях наблюдается многомодовый характер распространения света. Отметим, что при длине волны 850 нм критерий (4-8) нарушается для всех типов волокон. Таким образом, если вводить излучение длинной волны 850 нм в одномодовое волокно, то иметь место будет многомодовый режим распространения света. Противоречия здесь нет. Дело в том, что ступенчатое одномодовое волокно 8/125 предназначено для использования в спектральных окрестностях двух длин волн: 1310 нм и 1550 нм, где оно в истинном смысле проявляет себя как одномодовое.

Таблица (4.1). Значения основных оптических параметров волокон и нормированной частоты V для различных длин волн.

№№	Оптическое волокно	(нм)
	Название и диаметр	? (%)	n1	A	1550	1310	850
1	step MMF 200/240	-	-	0,39*	V=158,09	187,06	288,29
2	step MMF 100/140	-	-	0,29*	58,77	69,54	107,18
3	grad MMF 62,5/125	2,1**	1,47**	0,28*	35,46	41,96	64,67
4	grad MMF 50/125	1,25**	1,46**	0,20*	20,26	23,98	36,95
5	step SMF (SF) 8,3/125	0,36**	1,468**	0,13*	2,187	2,588	3,990

Обозначения:step MMF (multi mode fiber) - ступенчатое многомодовое волокно;

step SMF (single mode fiber) - ступенчатое одномодовое волокно;

grad MMF - градиентное многомодовое волокно;

- параметры волокон

** - параметры волокон, производимых фирмой Corning

Количество мод. Если при V2,405 может распространятся только одна мода, то с ростом v количество мод начинает резко расти, причем новые типы мод «включаются» при переходе v через определенные критические значения, табл. 4.2

Таблица 4.2. Номенклатура мод низких порядков.

Нормированная частота V	Числомод Nm	Тип мод
0-2б405	1	НЕ11 - основная мода (единственно допустимая для одномодового волокна
2,405-3,832	4	НЕ11, Н01, Е01, НЕ21
3,832-5,136	7	НЕ11, Н01, Е01, НЕ21, НЕ12, ЕН11, НЕ31
5,136-5,52	9	НЕ11, Н01, Е01, НЕ21, НЕ12, ЕН11, НЕ31, ЕН21, НЕ41
5,52-6,38	12	НЕ11, Н01, Е01, НЕ21, НЕ12, ЕН11, НЕ31, ЕН21, НЕ41, Н02, Е02, НЕ22
6,38-7,02	14	НЕ11, Н01, Е01, НЕ21, НЕ12, ЕН11, НЕ31, ЕН21, НЕ41, Н02, Е02, НЕ22, ЕН31, НЕ51
7,02-7,59	17	НЕ11, Н01, Е01, НЕ21, НЕ12, ЕН11, НЕ31, ЕН21, НЕ41, Н02, Е02, НЕ22, ЕН31, НЕ51, НЕ13, ЕН12, НЕ31
7,59-8,42	19	НЕ11, Н01, Е01, НЕ21, НЕ12, ЕН11, НЕ31, ЕН21, НЕ41, Н02, Е02, НЕ22, ЕН31, НЕ51, НЕ13, ЕН12, НЕ31, ЕН41, НЕ61

При больших значениях V количество мод N_m для ступенчатого волокна можно оценить по формуле:

(4-8)

Значение этого выражения может быть как целым, так и дробным. В действительности же число мод может быть только целым и составлять величину от одной до нескольких тысяч.

Количество мод для градиентного оптического волокна с параболическим профилем сердцевины:

(4-9)

(a - радиус сердцевины, b - радиус оболочки) определяется так:

(4-10)

Длина волны отсечки (cutoff wavelength)

Минимальная длина волны, при которой волокно поддерживает только одну распространяемую моду, называется длиной волны отсечки. Этот параметр характерен для одномодового волокна. Если рабочая длина волны меньше длины волны отсечки, то имеет место многомодовый режим распространения света. В этом случае появляется дополнительный источник дисперсии - межмодовая дисперсия, ведущий к уменьшению полосы пропускания волокна.

Различают волоконную длину волны отсечки (_CF) и кабельную длину волны отсечки (_CСF). Первая соответствует слабо напряженному волокну. На практике же волокно помещается в кабель, который при прокладке испытывает множество изгибов. Кроме этого, сильные искривления волокон происходят при их укладке в сплайс-боксах. Все это ведет к подавлению побочных мод и смещению _CСF в сторону коротких длин волн по сравнению с _CF. С практической точки зрения кабельная длина волны отсечки представляет большой интерес.

Волоконную длину волны отсечки можно оценить как теоритически, так и экспериментально. Теоритически легко это сделать для ступенчатого одномодового волокна - на основании выражений (4-7), (4-8) и (4-9) получаем _CF=dNA/2,405=1,847dn_1Д .

_CСF, в отличие от _CF, можно оценить только экспериментальным образом. Одним из практических методов измерения длин волн отсечки _CF и _CСF является метод передаваемой мощности. Сравнивается измеренная переданная спектральная мощность в зависимости от длины волны для образца одномодового волокна длиной 2 м с аналогичным параметром, полученным на образце многомодового волокна. Строится кривая

 дБ(4-11)

где А_m - разница затуханий; P_s - мощность на выходе одномодового волокна; P_m - мощность на выходе многомодового волокна.

Многомодовое волокно является эталонным. При этом один и тот же источник излучения с перестраиваемой длиной волны используется как для одномодового, так и для многомодового волокна. Строится кривая A_m(л), рис (4.1), длинноволновый участок которой экстраполируется кривой (1). Строится параллельная прямая (2), отстоящая ниже (1) на 0,1 дБ. Точка пересечения прямой (2) с кривой A_m(л) соответствует длине волны отсечки.

Рис.4.1. Определение длины волны отсечки.

Условия измерения должны соответствовать рекомендациям TIA/EIA и CCITT. Концы волокна очищаются от защитного покрытия, скалываются - угол скола не должен превышать 2. Диаметр светового пятна от источника излучения - 200 мкм; числовая апертура вводимого излучения 0,20; полная ширина спектра излучения 10 нм, измеренная на полумаксимуме; измеряемый диапазон длин волн от 1000 нм до 1600 нм с шагом 10 нм.

При измерении длины волны отсечки волокна _CF образец волокна должен иметь длину 2 м и располагаться таким образом, чтобы образовывалась одна петля радиусом 140 мм, рис 4.2а. Не должно быть дополнительных изгибов волокна с радиусом, меньшим 140 мм. Экспериментально измеренная длина волны отсечки волокна близка к теоритическому значению, которое можно получить из критерия (4-7), если обратить его в равенство.

При измерении кабельной длины волны отсечки _CСF тестируемый образец волокна должен иметь длину 22 м. Большая часть волокна свертывается и располагается на катушке с радиусом не меньше, чем 140 мм, что моделирует кабельные эффекты. Затем делается по одной петле диаметром 76 мм на расстоянии 1м от каждого конца волокна для моделирования эффекта изгиба волокна в сплайс-боксах, рис. 4.2б. И, наконец, в средней части делаются две дополнительные петли радиусом, меньшим 140 мм.

Рис.4.2. Размещение волокна

а) при определении _СF ; б) при определении _CСF

Затухание.

Волокно характеризуется двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Чем меньше затухание (потери) и чем меньше дисперсия распространяемого сигнала в волокне, тем больше может быть расстояние между регенерационными участками или повторителями.

На затухание света в волокне влияют такие факторы, как: потери на поглащении; потери на рассеянии; кабельные потери.

Потери на поглощении и на рассеянии вместе называют собственными потерями, в то время как кабельные потери в силу их природы называют также дополнительными потерями, рис. 4.3.



Рис. 4.3. Основные типы потерь в волокне

Полное затухание в волокне (измеряется в дБ/км) определяется в виде суммы:

=_int+_rad=_abs+_sct+_rad(4-12)

Потери на поглощении _abs состоят как из собственных потерь в кварцевом стекле (ультрафиолетовое и ультракрасное поглощение), так и из потерь, связанных с поглощением света на примесях. Примесные центры, в зависимости от типа примесей, поглощают свет на определенных (присущих данной примеси) длинах волн и рассеивают поглощенную световую енергию в виде джоулевого тепла. Даже ничтожные концентрации примесей приводят к появлению пиков на кривой потерь, рис 2.7. Следует отметить характерный максимум в районе длины волны 1480 нм, который соответствует примесям ОН^- . Этот пик присутствует всегда. Область спектра в районе этого пика ввиду больших потерь практически не используется.

Собственные потери на поглощении растут и становятся значимыми в ультрафиолетовой и инфракрасной областях. При длине волны излучения выше 1,6 мкм обычное кварцевое стекло становится непрозрачным из-за роста потерь, связанных с инфракрасным поглощением, рис. 4.4.

Потери на рассеянии _sct. Уже к 1970 году изготавливаемое оптическое волокно становится настолько чистым (99,9999 %), что наличие примесей перестает быть главенствующим фактором затухания в волокне. На длине волны 800 нм затухание составило 1,5 дБ/км . Дальнейшему уменьшению затухания препятствует так называемое рэлеевское рассеяние света. Рэлеевское рассеяние света вызвано наличием неоднородностей микроскопического масштаба в волокне. Свет, попадая на такие неоднородности, рассеивается в разных направлениях. В результате часть его теряется в оболочке. Эти неоднородности неизбежно появляются во время изготовлении волокна.

Потери на рэлеевском рассеянии зависят от длины волны по закону ^-4 и сильней проявляются в области коротких длин волн, рис 4.4.

Рис.4.4. Факторы, влияющие на затухание в области длины волны 1500 нм (по материалам фирмы CorningOpticalFiber)

Длина волны, на которой достигается нижний предел собственного затухания чистого кварцевого волокна, составляет 1550 нм и определяется разумным компромиссом между потерями вследствие рэлеевского рассеяния и инфракрасного поглощения.

Внутренние потери хорошо интерполируются формулой: ,.где _ОН() отражает пик поглощения на примесях ОН с максимумом при 1480 нм, а первое и последнее слагаемые соответствуют рэлеевскому рассеянию и инфракрасному поглощению соответственно ( К_rel=0,8мкм⁴дБ/км; С=0,9дБ/км; k=0,7-0,9мкм; данные приведены для кварца). На рис 4.5. приводится общий вид спектральной зависимости собственных потерь с указанием характерных значений четырех основных параметров (минимумов затухания в трех окнах прозрачности 850, 1300 и 1550 нм, и пик поглощения на длине волны 1480 нм) для современных одномодовых и многомодовых волокон.

Рис. 4.5. Собственные потери в оптическом волокне.

Кабельные (радиационные потери) _rad обусловлены скруткой, деформациями и изгибами волокон, возникающими при наложении покрытий и защитных оболочек, а также в процессе инсталляции ВОК. При соблюдении ТУ на прокладку кабеля номинальный вклад со стороны радиационных потерь составляет не больше 20% от полного затухания. Дополнительные радиационные потери появляются, если радиус изгиба кабеля становится меньше минимального радиуса изгиба, указанного в спецификации на ВОК.

Дисперсия и полоса пропускания.

По оптическому волокну передается не просто световая энергия, но также полезный информационный сигнал. Импульсы света, последовательность которых определяет информационный поток, в процессе распространения расплываются. При достаточно большом уширении импульсы начинают перекрываться, так что становится невозможным их выделение при приеме.

Дисперсия - уширение импульсов - имеет размерность времени и определяется как квадратичная разность длительностей импульсов на выходе и входе кабеля длины L по формуле . Обычно дисперсия нормируется в расчете на 1 км, и измеряется в пс/км. Дисперсия в общем случае характеризуется тремя основными факторами, рассматриваемыми ниже:

различие скоростей распространения направляемых мод (межмодовой дисперсией _mod),

направляющими свойствами световодной структуры (волноводной дисперсией _w),

свойствами материала оптического волокна (материальной дисперсией _mat).

Рис. 4.6. Виды дисперсии

Чем меньше значение дисперсии, тем больший поток информации можно передать по волокну. Результирующая дисперсия определяется из формулы:

(4-13)

Межмодовая дисперсия.

Межмодовая дисперсия возникает вследствие различной скорости распространения у мод, и имеет место только в многомодовом волокне. Для ступенчатого многомодового волокна и градиентного многомодового волокна с параболическим профилем показателя преломления ее можно вычислить соответственно по формулам:

, , (4-14), (4-15)

где L_с - длина межмодовой связи (для ступенчатого волокна порядка 5 км, для градиентного - порядка 10 км).

Изменение закона дисперсии с линейного на квадратичный связано с неоднородностями, которые есть в реальном волокне. Эти неоднородности приводят к взаимодействию между модами, и перераспределению энергии внутри них. При L>L_c наступает установившейся режим, когда все моды в определенной установившейся пропорции присутствуют в излучении. Обычно длины линий связи между активными устройствами при использовании многомодового волокна не превосходят 2 км и значительно меньше длины межмодовой связи. Поэтому можно пользоваться линейным законом дисперсии.

Вследствие квадратичной зависимости от значения межмодовой дисперсии у градиентного волокна значительно меньше, чем у ступенчатого, что делает более предпочтительным использование градиентного многомодового волокна в линиях связи.

На практике, особенно при описании многомодового волокна, чаще пользуются термином полоса пропускания. При расчете полосы пропускания W можно воспользоваться формулой :

W=0,44/(4-16)

Измеряется полоса пропускания в МГц км. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничения на дальность передачи и верхнюю частоту передаваемых сигналов. Физический смысл W - это максимальная частота (частота модуляции) передаваемого сигнала при длине линии 1 км. Если дисперсия линейно растет с ростом расстояния, то полоса пропускания зависит от расстояния обратно пропорционально.

Хроматическая дисперсия.

Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и имеет место при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Однако наиболее отчетливо она проявляется в одномодовом волокне из-за отсутствия межмодовой дисперсии.

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления волокна от длины волны. В выражение для дисперсии одномодового волокна входит дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны:

(4-17)

Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны:

,(4-18)

где ведены коэффициенты М() и N() удельные материальная и волноводная дисперсии соответственно, а (нм) - уширение длины волны вследствие некогерентности источника излучения. Результирующее значение коэффициента удельной хроматической дисперсии определяется как D()=М()+N(). Удельная дисперсия имеет размерность пс/(нм км). Если коэффициент волноводной дисперсии всегда больше нуля, то коэффициент материальной дисперсии может быть как положительным, так и отрицательным. И здесь важным является то, что при определенной длине волны (примерно 131010 нм для ступенчатого одномодового волокна) происходит взаимная компенсация М() и В, а результирующая дисперсия D() обращается в ноль. Длина волны, при которой это происходит, называется длиной волны нулевой дисперсии₀. Обычно указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которых может варьироваться ₀ для данного конкретного волокна.

Фирма Corning использует следующий метод определения удельной хроматической дисперсии. Измеряются задержки по времени при распространении коротких импульсов света в волокне длиной не меньше 1 км. После получения выборки данных для нескольких длин волн из диапазона интерполяции (800-1600 нм для MMF, 1200-1600 для SF и DSF) делается повторная выборка измерения задержек на тех же длинах волн, но только на коротком эталонном волокне (длина 2 м). Времена задержек, полученных на нем, вычитаются из соответствующих времен, полученных на длинном волокне.

Для одномодового ступенчатого и многомодового градиентного волокна используется эмпирическая формула Селмейера: ()=А+В²+С^-2. Коэффициенты А,В,С являются подгоночными, и выбираются так, чтобы экспериментальные точки лучше ложились на кривую (). Тогда удельная монохроматическая дисперсия вычисляется по формуле:

(4-19)

где ₀=(С/В)^1/4 - длина волны нулевой дисперсии, новый параметр S₀=8B - наклон нулевой дисперсии (размерность пс/(нм² км), а - рабочая длина волны, для которой определяется удельная хроматическая дисперсия.

Для волокна со смещенной дисперсией эмпирическая формула временных задержек записывается в виде ()=А+В+Сln, а соответствующая удельная дисперсия определяется как

(4-19)

со значениями параметров ₀=е^-(1+В/С) и S₀=C/₀, где - рабочая длина волны, ₀ - длина волны нулевой дисперсии, и S₀ - наклон нулевой дисперсии.

Хроматическая дисперсия связана с удельной хроматической дисперсией простым соотношением _chr()=D(), где - ширина спектра излучения источника. К уменьшению хроматической дисперсии ведет использование более когерентных источников излучения, например лазерных передатчиков (2 нм), и использование рабочей длины волны более близкой к длине волны нулевой дисперсии. В табл. 4.3. представлены дисперсионные свойства различных оптических волокон.

Табл. 4.3. Дисперсия оптических сигналов в различных оптических волокнах.

Тип волокна	, нм	Межмодовая дисперсия, пс/км mod	Удельная хроматическая дисперсия, пс/(нм км) D()	Результирующая удельная полоса пропускания, МГц км, W=0,44/
				=2 нм	=4 нм	=35 нм
MMF 50/125	850	4141)	99,63)	958	766	125
	1310	414	1,0	1062	1062	1050
	1550	414	19,2	1058	1044	540
MMF 62,5/125	850	9732)	106,74)	441	414	114
	1310	973	4,2	452	452	450
	1550	973	17,3	451	450	384
SF 8/125	1310	0	<1,85)	>120000	61000	6900
	1550	0	17,5	12600	6300	720
DSF 8/125	1310	0	21,26)	10400	5200	594
	1550	0	<1,7	>120000	6500	7400

- на основе формулы (4-14), =0,013, n1=1,47

²⁾ - на основе формулы (4-14), =0,02, n1=1,46

³⁾ - на основе формулы (4-19), ₀=12971316 нм, S₀0,101 пс/(нм² км)

⁴⁾ - на основе формулы (4-19), ₀=13221354 нм, S₀0,097 пс/(нм² км)

⁵⁾ - на основе формулы (4-19), ₀=1301,51321,5 нм, S₀0,092 пс/(нм² км)

⁶⁾ - на основе формулы (4-19), ₀=15351565 нм, S₀0,085 пс/(нм² км)

Технические характеристики взяты у волокон, производимых фирмой Corning

Для того, чтобы при передаче сигнала сохранялось его приемлемое качество - соотношение сигнал/шум было не ниже определенного значения_необходимо, чтобы полоса пропускания волокна на длине волны передачи превосходила частоту модуляции. Ниже приводятся пример расчета допустимой длины сегмента с использованием табл. 4.3.

Расчет: Стандарт FastEthernet для многомодового волокна. Оптический интерфейс 100Base-FX предполагает кодировку 4В/5В с частотой модуляции 125 МГц. При использовании светодиодов с =35 нм (1310 нм) удельная полоса пропускания для волокна 62,5/125 составляет 450 МГц км, и при длине оптического сегмента 2 км будет 225, что больше 125 МГц, то есть с точки зрения дисперсии, протяженность в 2 км является допустимой, что находится в полном соответствии со стандартом FastEthernet на многомодовое волокно.

Слабая зависимость полосы пропускания многомодового волокна (например 62,5/125) от спектральной ширины источника излучения, работающего на длине волны 1310 нм (450 МГц км при =35 нм, и 452 МГц км при =2 нм), объясняется незначительной долей хроматической дисперсией по сравнению с межмодовой в силу близости рабочей длины волны к длине волны нулевой дисперсии. Таким образом, технические требования к спектральной полосе оптических передатчиков для работы по многомодовому волокну на длине 1310 нм обычно слабые.

Градиентное многомодовое волокно.

Широко используются два стандарта многомодового градиентного волокна - 62,5/125 и 50/125, отличающиеся профилем сердцевины, рис. 4.7.а. Соответствующие спектральные потери для типичных волокон показаны на рис. 4.7.б.

В табл. 4.4. приведены основные характеристики многомодовых градиентных волокон двух основных стандартов 50/125 и 62,5/125.

Отметим, что полоса пропускания на длине волны 1300 нм превосходит соответствующее значение на длине волны 850 нм. Это объясняется следующим образом. Дисперсия, которая определяет полосу пропускания, состоит из межмодовой и хроматической составляющих.

Рис.4.7.а. Многомодовые градиентные волокна; профили показателей преломления волокон 50/125 и 62,5/125/

Рис.4.7.б. Многомодовые градиентные волокна; характерные кривые спектральных потерь мощности.

Таблица 4.4. Значения параметров градиентных многомодовых волокон.

Параметры	Градиентно многомодовое волокно
	MMF 50/125	MMF 62,5/125
Номинальное затухание на длине волны 850 нм (дБ/км)	2,4	2,8
Номинальное затухание на длине волны 1300 нм (дБ/км)	0,5	0,6
Максимальное затухание на длине волны 850 нм (дБ/км)	2,5	3,0
Максимальное затухание на длине волны 1300 нм (дБ/км)	0,8	0,7
Полоса пропускания на длине волны 850 нм (МГц км)	400	200
Полоса пропускания на длине волны 1300 нм (МГц км)	800	400
Длина волны нулевой дисперсии, 0 (нм)	1297-1316	1332-1354
Наклон нулевой дисперсии, S0 (пс/(нм2 км))	0,101	0,097
Диаметр сердцевины, d (мкм)	50,03,0	62,53,0
Числовая апертура, NA	0,2000,015	0,2750,015
Рабочий диапазон температур	-60С-+85С	-60С-+85С
Вносимое затухание в температурных пределах -60С-+85С на длинах волн 850 нм и 1300 нм (дБ/км)	0,2	0,2
Вносимое затухание в температурных пределах -10С-+85С, влажности до 98% на длинах волн 850 нм и 1300 нм (дБ/км)	0,2	0,2
Стандартная длина волокна, поставляемого на катушке (м)	1100-4400	1100-8800
Диаметр оболочки (мкм)	125,02,0	125,02,0
Радиальное отклонение сердцевины относительно оболочки (мкм)	3,0	3,0
Диаметр защитного покрытия (мкм)	24510	24510
Отклонение сердцевины от окружности	5%	5%
Тестовое усилие на разрыв (Гн/м2)	0,7	0,7
Эффективный показатель преломления neff на длине волны 850 нм	1,4897	1,5014
Эффективный показатель преломления neff на длине волны 1300 нм	1,4856	1,4966

Если межмодовая дисперсия слабо зависит от длины волны - в соотношениях (4-14), (4-15) зависимостью показателя преломления от длины волны можно пренебречь, то хроматическая дисперсия пропорциональна ширине спектра излучения. Коэффициент пропорциональности D() при длинах волн в окресности 1300 нм (₀) близок к нулю, в то время как на длине волны 850 нм примерно равен 100 пс/(нм² км). Специфика использования многомодового волокна такова, что обычно в качестве передатчиков используются светоизлучающие диоды, имеющие уширения спектральной линии излучения благодаря некогерентности источника примерно   50 нм, в отличии от лазерных диодов с уширением   2 нм и меньше. Это приводит к тому, что хроматическая дисперсия на длине волны 850 нм начинает играть существенную роль наряду с межмодовой дисперсией. Значительно уменьшить хроматическую дисперсию можно при использовании лазерных передатчиков, имеющих значительно меньшее спектральное уширение. Воспользоваться этим преимуществом лазерных передатчиков можно только при использовании одномодового волокна в окнах прозрачности 1310 нм и 1550 нм, когда полностью отсутствует межмодовая дисперсия и остается только хроматическая дисперсия.

Выводы: на основании приведенной методики был произведен расчет полосы пропускания многомодового градиентного кабеля 62.5/125, откуда видно, что он пригоден для использования в данном проекте.

4.2 Методика прокладки и монтажа оптоволоконного кабеля

В данной работе проектируется территориально распределенная сеть, связывающая несколько зданий. Строительство подвесных волоконно-оптических линий связи - современная альтернатива коллекторным, траншейным и прочим "подземным" оптическим трактам.

Основные отличия от традиционных (коллекторных):

минимум в 1.5 раза более низкая стоимость;

низкая стоимость обслуживания (в разы);

высокая скорость восстановления серьезных разрушений;

Для правильной прокладки оптического кабеля необходимо выполнить ряд действий:

Разработка подготовительных мероприятий. В процессе подготовки к строительству изучается проектная документация и трасса линии в натуре. При этом особое внимание обращают на места ввода кабеля в здание, прокладку кабеля по воздушным опорам и стенам зданий.

Проект производства работ. По результатам изучения проектной документации и ознакомлением с трассой линии составляется проект производства работ, который содержит сетевой график с указанием сроков и последовательности выполнения отдельных видов работ.

Подготовка кабеля к прокладке и испытания. Все строительные длины кабеля перед прокладкой подвергаются полной или частичной проверке. Кабели, поступившие к месту прокладки с внешними дефектами, такими как: вмятины, пережимы, обломанные концы, - подвергаются полной проверке. При полной проверке производится: внешний осмотр барабанов, проверка целостности оптических волокон путем просветки электрическим фонарем, испытания на герметичность оболочки, измерение затухания оптических волокон. Изготавливаемые в настоящее время оптические кабели имеют на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм средние значения затухания 0,3…1 дБ/км и дисперсии 0,1…0,3 нс/км*нм для градиентных волокон. В реальных оптических волокнах отклонения этих параметров увеличиваются из-за воздействия множества случайных факторов, к которым относятся: неоднородности в конструкции волокна; сторонние примеси в материале сердцевины и оболочки; отклонение профиля показателя преломления от оптимального; флуктуации микроизгибов волокон в процессе их укладки в оптический кабель и прокладки; неоднородности, возникающие в местах соединения волокон. В результате параметры передачи реальных волокон содержат случайные составляющие, абсолютные значения которых обычно невелики, но их относительные отклонения от средних значений ввиду малости последних могут иметь большие значения. Большие относительные колебания дисперсии градиентных волокон обусловлены в основном отклонениями профиля показателя преломления от оптимального. Случайные относительные колебания затухания от средних значений на строительных длинах составляют 30…50%. Отклонения дисперсии могут достигать 50…80%.

Прокладка кабеля по стенам зданий и подвеска на опорах. При монтаже территориально распределенных сетей, связывающих несколько зданий, приходится прокладывать кабель по стенам зданий - следовательно необходимо защитить кабель от механических повреждений стальным угловым профилем или желобом на высоте до 3 метров от поверхности земли. Если кабель прокладывается по стенам зданий, имеющих карнизы или другие выступающие части, стараются проложить кабель под ними, чтобы защитить его от механических повреждений, возможных при сбрасывании с крыши льда и снега. Способ крепления на опоре подвесного самонесущего кабеля приведен на рис. 4.8.

Рис.4.8 Крепление самонесущего кабеля

Особенности прокладки ОК обусловлены меньшими допустимыми значениями тяговых усилий, радиусов изгибов ОК, снижением габаритных размеров и массы ОК по сравнению с аналогичными значениями этих величин для обычных электрических кабелей (табл. 4.5).

Таблица 4.5. Сравнение монтажных параметров кабелей

Параметр	Значение параметра кабеля
	оптического	электрического
Допустимое тяговое усилие, Н	600…1200	500…30000
Минимально допустимый радиус изгиба, см	20…30	10…80
Диаметр кабеля, мм	10…15	10…80
Масса кабеля, кг/км	80…160	95…6400
Строительная длина кабеля, м	500…2000	260…500

Монтаж оптических кабелей. Монтаж ОК является наиболее ответственной операцией, предопределяющей качество и дальность связи по оптическим кабельным линиям. Соединение волокон производится как в процессе производства, так и при строительстве и эксплуатации кабельных линий. При монтаже ОК должны быть обеспечены: высокая влагоустойчивость сростка, надежные механические характеристики на разрыв и смятие, и стабильность характеристик сростка при длительной эксплуатации.

Соединение волокон механическим сплайсом (МС). МС - это прецизионное, простое в использовании, недорогое устройство для быстрой стыковки обнаженных многомодовых и одномодовых волокон в покрытии с диаметром 250 мкм - 1 мм посредством специальных механических зажимов. Стеклянный капилляр, заполненный иммерсионным гелем, обеспечива...