Karakteristike i upotreba mreža sa optičkim vlaknima
U ovom tekstu ćemo se upoznati sa karakteristikama i načinima primene optičkih kablova. Kod optičkih kablova, optička vlakna prenose digitalne signale u obliku modulisanih svetlosnih impulsa. Ovo je relativno bezbedan način prenošenja podataka jer se optički kablovi ne mogu prisluškivati, a podaci su bezbedni od krađe. Takođe, kablovi od optičkih vlakana ne podležu električnim smetnjama, imaju najmanje slabljenje signala duž kabla i podržavaju izuzetno velike brzine prenosa podataka na velikim udaljenostim.
Postoji dvanaest razloga za upotrebu optičkog prenosa:
- Prenos na velike udaljenosti bez repetitora i regeneratora
- Veliki kapacitet
- Smanjena cena sistema
- Smanjena cena održavanja
- Bolji kvalitet
- Najmanja cena životnog ciklusa
- Male dimenzije
- Mala težina
- Dielektrična priroda
- Otpornost na EMI/RFI
- Unutrašnja zaštita prenosa
- Medjusobni odnos osobina optičog vlakna i faktora koštanja njegove primene
Prenos na velike udaljenosti
Zbog njegovog veoma malog slabljenja (Tabela 1-3), pomoću optočkih vlakana može se vršiti prenos na velike udaljenosti bez repetitora i regeneratora. Tipično, optička elektronika može da vrši prenos na 40-80 km (24-48 mi.). Neki telefonski sistemi prenose signal na na udaljenosti većoj od 137mi. Rastojanje izmedju ovih regeneratora uveliko premašuje 6 mi., što je tipično rastojanje za bakarne telefonske sisteme.
Upotreba optičkih vlakana produžava daljinu prenosa podataka putem optičkih komunikacionih sistema na najmalje 10,000 ft. Sa ovako povećanim rastojanjem, mreže mogu biti projektovane za velika geografska područja bez potrebe za regeneratorima i repetitorima signala. Bakarni kablovi u prenosu podataka su uglavnom ograničeni na 100m (328 ft.).
Ova sposobnost prenosa na velike udaljenosti mogla bi dovesti do promena korišćenih topologija u korporativnim mrežama. Ta sposobnost će omogućiti izgradnju mreža projektovanih sa jednim centralnim koncentratorom u zgradi , umesto višestrukih , ili srednjedometnih, koncentratora u žičanim ormarima. Ovo će dovesti do smanjenja cena mrea, smanjenja cena održavanja, smanjenja zahteva za cevovodima, i smanjenja zahteva za slobodnim prostorom izmedju spratova.
Veliki kapacitet
Zbog veoma niske stope prostiranja impulsa (Tabela 1-5) optički sistemi imaju veoma veliki kapacitet. Trenutno, telefonski sistemi mogu da prenose oko 30,000 telefonskih konverzacija kroz jednu paricu. Tipični, 144-optički kabel, prečnika 1-inča može da prenosi oko 2,100,000 konverzacija simultano. U budućnosti, ova ista parica će prenositi 300,000 konverzacija , a optički kabel će prenositi 21,000,000 simultanih konverzacija. 21 milion simultanih konverzacija je aproksimativni kapacitet zahtevan da bi svako iz Los Angeles-a mogao da priča sa svakim iz New York-a u isto vreme, preko istog kabla prečnika 1 inča.
Smanjena cena sistema i održavanja
Eliminacijom repetitora, regeneratora i srednjedometnih koncentratora smanjuje se cena sistema. U nekim primenama, kao što su telefon i CATV, početna cena instaliranja optičkih sistema je manja nego kod takvih sistema na bazi bakra.
Zbog manjeg broja aktivnih uredjaja u optičkim sistemima nego u bakarnim sistemima, manji je i broj tačaka u kojima se mogu javiti kvarovi. Ovo automatski dovodi do smanjenja troškova održavanja. Na primer, eliminacija pojačavača za koaksijalne kablove u CATV sistemima, eliminiše i potrebu za nedeljnim podešavanjem pojačanja svakog od ovih pojačavača. Ova podešavanja su neophodna zbog kompenzacije razdešenosti nastale usled temperaturnih promena okruželja.
Smanjenje cene najkraćeg životnog ciklusa
Zbog velikog kapaciteta optičkih vlakana, kapacitet optičkog sistema za prenos možemo povećati jednostavno promenom elektronike. Na primer, telefonske kompanije su povećale kapacitet od 45 Mbps do 2.7 do 100 Mbps, i dalje na isti način. Kablovske TV kompanije mogu da povećavaju svoj kapacitet od 40 do 160 kanala.
Ova mogućnost čini optičke kablove jedinstvenim medijumom. Sa ovim mogućmostima, investiranje u optičke kablove je mnogo isplativije nego investiranje u druge konkurentske tehnologije. Cena životnog ciklusa optičkih sistema je obično niža od cene životnog ciklusa konkurentskih tehnologija.
Ova mogućnost čini optičke kablove jedinstvenim medijumom. Sa ovim mogućmostima, investiranje u optičke kablove je mnogo isplativije nego investiranje u druge konkurentske tehnologije. Cena životnog ciklusa optičkih sistema je obično niža od cene životnog ciklusa konkurentskih tehnologija.
Ova niža cena koštanja životnog ciklusa je postignuta iako je početna cena instaliranja optičkog sistema veća nego cena instaliranja bakarnog sistema. Na primer, izgradnja osnove optičkog sistema košta 10-20 % više od izgradnje bakarnog sistema, ali optički sistem će trajati 2 do 3 puta duže od bakarnog.
Ako vaša mreža zahteva kapacitet od 4-16 Mbps i više, do 100 Mbps, optički kabel je vaš najbolji izbor. Ovaj porast kapaciteta biće smanjen sa porastom širine opsega.
U proširenje opsega uključeni su sledeći elementi: korišćenje digitalizovanih slika, medicinsko okruženje, CAD/CAM aplikacije, multi-medijalne aplikacije, i porast broja korisnika vaše mreže.
Brze tehnologije za prenos podataka FDDI, ATM, Fiber Channel, SONET, ESCON, i HiPPI, sve koriste optičke kablove. Ako planirate korišćenje ovih protokola u budućnosti, korišćenje optičkog kabla je mnogo isplativije nego upotreba bakarnog kabla sad, i njegova zamena optičkim kablom u budućnosti.
Male dimenzije
Optička vlakna i optički kablovi su najmanji trenutno raspoloživi kablovi. U prepunjenim cevovodima, 100 parica prečnika 3 inča mogu biti zamenjene jednim optičkim kablom prečnika 0.75 inča. Prilikom postavljanja novih cevi, kada se uzme u obzir kopanje rovova i raskopavanje ulica u gradovima, male dimenzije optičkog kabla obično znače malu cenu instaliranja pri čemu kapacitet ostaje nepromenjen.
Mala težina
U visokim zgradama, sa velikim opterećenjem spratova, mala težina optičkih kablova je vodeći razlog njihove upotrebe. Takodje, mala težina optičkih kablova je osobina zbog koje ih koriste i vojska, mornarica i vazduhoplovstvo za komandu, komunikaciju i kontrolu.
Dielektrična priroda
Dielektrična priroda ima četiri prednosti. Prvo, ne postoji uzemljenje koje prouzrokuje probleme u procesu kontrole aplikacije. Drugo, dielektrični optički kablovi ne privlače munje pa samim tim imaju manju cenu održavanja. Treće, dielektrični optički kablovi imaju manje ograničenja za mesta postavljanja u zgradama. Četvrto, ovi kablovi ne zrače signale što znači da su ovo sigurni komunikacioni sistemi.
Otpornost na EMI/RFI
Pošto se u optičkim sistemima prenos signala vrši putem svetlosti, signal je otporan na električne šumove u okruženju. Znači, šum neće biti pokupljen čak ni prilikom prenosa na velike udaljenosti i kroz područja u kojima postoje električni šumovi.
Ova osobina rezultuje poboljšanjem u efektivnom kapacitetu kod sporih mreža. Na primer, token ring i Ethernet mreže biće bolje iskorišćene i imaće veći efektivni protok kada bakarne žice budu zamenjene sa optičkim kablovima.
Unutrašnja zaštita prenosa
Optički sistem prenosa poseduje unutrašnju zaštitu prenosa. Postoje dva aspekta ove zaštite. Prvo, kako ne postoji električni signal, ne postoji ni signal koji će biti ozračen od strane optičkog kabla. Stoga, detektor smešten u blizini optičkog kabla neće “pokupiti” signal. Drugo, iako optički kablovi mogu biti spojeni bez prekidanja kabla, ovakvo spajanje će dovesti do smanjenja snage signala na izlaznom kraju kabla, što se lako može detektovati jednostavnim električnim kolom. Ovo kolo će aktivirati alarm ili srušiti sistem u slučaju upada.
Medjusobni odnos osobina optičkog kabla i faktora koštanja projekta
Gore pomenuti razlozi za upotrebu optičkog kabla zasnivaju se na osobinama optičkih kablova. Ove osobine i faktori koštanja projekta mogu uticati jedni na druge i dovesti do toga da jedan instalirani optički sistem košta manje od sistema sa bakarnim kablovima. Jedan primer je vojno skladište municije koje je bilo veoma uspešno u provaljivanju sistema za detekciju. Prvobitni plan bio je za zakopani 4000- voltni snažni kabel i za posebno zakopan bakarni kabel, RS-422 kabel. Dielektrična priroda optičkog kabla dozvoljava projektantima da RS-422 kabel smeste u isti rov sa snažnim kablom. Eliminacijom drugog rova projektanti mogu da uštede prosečno $80,000.
Drugi primer je proizvod proizvodjača modularnog nameštaja za otvorene kancelarije. Ovi proizvodi su jeftiniji kada se koriste optički kablovi nego kada se koriste bakarni kablovi. Ponovo, razlog je mogućnost smeštanja električnog kabla i optičkog kabla u isti cevovod u modularnom nameštajy. Ovakvo sdruživanje prostora nije moguće kod bakarnih kablova. Optički kablovi su ponekad, ali ne uvek, skuplji u poredjenju sa mnogim bakarnim solucijama.
Kako većina optičkih kablova sadrži stakleno vlakno, optički kablovi su osetljiviji na mehaničke deformacije nego bakarni kablovi. Ovo je posledica razlike u istezljivosti stakla i metalnih materijala. Za optičke konektore važi isto što i za optičke kablove. Medjutim, prateći pravilne procedure za instalacione i rukovanje, možete instalirati i koristiti optičke kablove i konektore bez problema.
Upotreba optičkih kablova
Topologija je opis veza u mreži. Svaka mreža ima fizičku i logičku topologiju. Fizička topologija opisuje fizičke veze u mreži. Logička topologija opisuje logičke veze u mreži. Logičke veze opisuju način na koji se podaci kreću u mreži. Na primer, u logičkoj ring (prsten) mreži podaci se prenose od prve stanice do druge. Nakon obrade podataka, druga stanica šalje podatke trećoj, i tako dalje.
U logičkoj bus mreži podaci se prenose preko jedne stanice do svih ostalih stanica u mreži. Logička bus mreža analogna je dugačkom hodniku sa puno vrata. Svaka od ostalih stanica u mreži prihvata i čita adresu. Ako adresa pošiljke odgovara adresi stanice koja prima, stanica obradjuje podatke, u suprotnom, stanica ignoreše podatke.
Fizička ring topologija zahteva da bilo koja dva čvora u mreži budu priključena pomoću kabla što omogućava direktnu komunikaciju izmedju ova dva čvora. Fizička topologija zvezda zahteva da bilo koja dva čvora budu povezana kablom sa centralnim žičanim ormarom, u kome svi čvorovi mogu biti unakrsno povezani.
Postoji sedam kombinacija fizičkih i logičkih topologija:
- Od tačke do tačke (point to point)
- Logički prsten, fizički prsten
- Logički prsten, fizička zvezda
- Aktivna zvezda
- Pasivna zvezda
- Pasivni bus
- Aktivni bus
Pravila odabira fizičke topologije za optičke sisteme nisu ista kao za bakarne sisteme.
- Većina optičkih sistema se sastoji od serija point-to–point veza.
- Point-to-point dizajn je ograničen optičkom snagom
- Odstupanje od point-to-point dizajna povećava cenu sistema.
Da bi razumeli razlog za korišćenje odredjene fizičke topologije, projektovaćemo dva sistema za istu upotrebu. Ta dva sistema su: point-to-point i point-to-multipoint system. Ako projektujemo ovaj system kao seriju point-to-point veza (Slika 1), zahtev za optičkom snagom je nizak (Tabela 1).
Tabela 1. Proračun optičke snage za point-to-point link
Slika 1. Aktivna zvezda, Point-to-point optička mreža
Nekoliko komentara na proračun iz tabele 1: Proračun se zasniva na multimodnom optičkom kablu sa izvorom svetlosti talasne dužine 850 nm. Ne postoje gubici u konektorima zato što su konektori direktno povezani na aktivne uredjaje. Za margine starenja je uzeta usrednjena vrednost od 3 dB. Ako margine starenja nisu zahtevane , sigurnosne margine (tipično 3 do 9 dB) mogu biti zahtevane.
U tabeli 1-9 vidi se da većina optoelektronike funkcioniše ispravno i sa značajno višim zahtevima za optičku snagu. Ovi point-to-point sistemi mogu biti lako implementirani.
Ako projektujemo ovaj isti sistem kao point-to-multipoint mrežu (Slika 2), zahtev za optičku snagu je visok (Tabela 2).
Slika 2. Pasivna zvezda, Point-to-multipoint optička mreža
Tabela 2. Proračun zahtevane optičke snage za point-to-multipoint link
Nekoliko komentara na proračun iz tabele 2: Bazira se na multimodnom optičkom kablu sa izvorom svetlosti 850 nm. Unutršnji gubici predstavljalju smanjenje snage signala izmedju ulaza i izlaza od strane pasivnog razdelnika. Razmotrimo impuls svetlosti koji se sastoji od osam fotona i koji ulazi u razdelnik. Jedan od ovih osam fotona će izaći na izlaznom portu. Tako da će izlazna snaga signala biti 1/8 snage ulaznog signala. Rešavajući jednačinu, dobili smo da gubici optičke snage iznose 9.03 dB. Spoljašnji gubici nastaju usled gubitaka svetlosne energije u razdelniku. Tipična veličina ovih gubitaka za 1x8 razdelnik je 3 dB. Uporedjujući ove vrednosti sa vrednostima iz tabele 1-9 vidimo da većina optoelektronike na 850 nm neće funkcionisati ispravno sa ovim visokim zahtevima za optičku snagu.
Mogli bismo implementirati ovu topologiju sa optičkim kablom 100/140 μm (Tabela 1-9). Medjutim, radeći to, povećali bismo cenu sistema, pošto je ovo jedan od najskupljih multimodnih optičkih sistema , trenutno raspoloživih. Mogli bismo implementirati ovaj sistem sa izvorom svetlosti velike izlazne snage ili sa visoko osetljivim prijemnikom. Kako god, korišćenje ovih poboljšanih performansi dovešće do povećanja cene sistema.
Tekst je realizovan u sklopu prakse iz predmeta "Optoelektronika". Mentor projekta je mr Miloš Slankamenac sa Katedre za elektroniku na FTN-u.
